前端“預(yù)升壓” 美信車(chē)載電源系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)

　　簡(jiǎn)介

　　隨著汽車(chē)啟停技術(shù)（空閑狀態(tài)自動(dòng)關(guān)閉引擎）應(yīng)用的普及，越來(lái)越多的車(chē)載系統(tǒng)要求能夠工作在較低的輸入電壓，低壓輸入往往發(fā)生在熱啟動(dòng)（電池電壓低于6V）或冷啟動(dòng)（電池電壓低于3V）條件下。圖1介紹了常見(jiàn)的汽車(chē)系統(tǒng)供電架構(gòu)方案。

　　在一些主電源為3.3V的供電系統(tǒng)中，前端采用低壓差的buck轉(zhuǎn)換器即可滿足要求（CASE 1）。需要時(shí)，可以選擇一路boost轉(zhuǎn)換器將3.3V升壓到5V （例如為CAN總線收發(fā)器供電）或更高電壓（CASE2）。有些系統(tǒng)采用5V或更高電壓供電，此時(shí)需要在前端進(jìn)行“預(yù)升壓”，保證buck的輸入電壓不會(huì)低于指定電壓（CASE 3），本設(shè)計(jì)適用于后者。

　　圖1. 汽車(chē)電源方案。

　　汽車(chē)設(shè)計(jì)中，低電磁輻射也是一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)，特別是在敏感的AM頻段。本設(shè)計(jì)中，電源的開(kāi)關(guān)工作頻率遠(yuǎn)高于AM頻段（例如：開(kāi)關(guān)頻率在1.71MHz以上，位于MW頻段的高端），進(jìn)而解決了干擾問(wèn)題。較高的開(kāi)關(guān)頻率也有助于減少系統(tǒng)尺寸，降低外圍元件的成本。

　　圖2是開(kāi)關(guān)電源的原理圖，MAX15005升壓控制器與MAX16952降壓控制器相組合，配合外圍電路提供合理的車(chē)載系統(tǒng)供電方案。兩款IC均同步到控處理器或?qū)Ｓ肐C提供的外部2MHz時(shí)鐘，便于優(yōu)化電源的開(kāi)關(guān)頻率。電池正常供電的條件下，MAX15005不工作，通過(guò)MAX16952提供穩(wěn)定的8V OUTB電壓。冷啟動(dòng)時(shí)，由于電池電壓降低，則通過(guò)MAX15005提升節(jié)點(diǎn)OUTA的電壓，確保MAX16952提供穩(wěn)定的8V OUTB電壓。兩款I(lǐng)C的高可靠性，可以滿足汽車(chē)環(huán)境中高達(dá)40V的拋負(fù)載。該方案已經(jīng)通過(guò)測(cè)試，在OUTB節(jié)點(diǎn)提供高達(dá)20W的輸出功率 （8V@2.5A）。更換外圍電路，可以獲得更高的輸出功率。

　　圖2. 開(kāi)關(guān)電源原理圖。

　　MAX16952的外圍元件

　　1、輸出電壓和開(kāi)關(guān)頻率

　　為了在OUTB端獲得穩(wěn)定的8V輸出，需要合理選擇反饋分壓電阻（R22和R21）。選擇R22 = 51KΩ （MAX16952數(shù)據(jù)資料推薦低邊電阻R22?< 100kΩ），R21根據(jù)下式計(jì)算：

　　（式1）

　　式中，VFB = 1V （典型值）。

　　選擇標(biāo)準(zhǔn)阻值R22 = 360kΩ ，典型輸出電壓為：

　　（式2）

　　假設(shè)阻值誤差為1%，最小和最大OUTB輸出電壓為：

　　（式3）

　　（式4）

　　其中，VFB（MIN） = 0.985V，VFB（MAX） = 1.015V。

　　按照規(guī)格書(shū)推薦，外部時(shí)鐘頻率必須高于MAX16952內(nèi)部時(shí)鐘頻率的1.1倍。由于我們采用2MHz外部時(shí)鐘同步MAX16952的開(kāi)關(guān)頻率，須合理選擇內(nèi)部振蕩器阻抗R16，控制內(nèi)部開(kāi)關(guān)頻率《1.8MHz。本設(shè)計(jì)中，R16選擇為30kΩ。為確保MAX16952開(kāi)關(guān)頻率固定在2MHz，必須避免發(fā)生電壓跌落。MAX16952只有在關(guān)斷時(shí)間（tOFF）》100ns （典型值）時(shí)，才可避免電壓跌落的情況，這意味著系統(tǒng)不能超出最大占空比：

　　（式5）

　　考慮到降壓轉(zhuǎn)換器的效率為90%，保證工作在2MHz固定開(kāi)關(guān)頻率的最小輸入電壓（OUTA）是：

　　（式6）

　　這意味著OUTA電壓不能低于11.11V閾值。為保證OUTA電壓始終高于11.11V，當(dāng)電池電壓（IN節(jié)點(diǎn)）低于11.5V時(shí)，需要開(kāi)啟MAX15005工作（考慮到L1、D2肖特基二極管的壓降，留出大約390mV的裕量）。

　　達(dá)到40V拋負(fù)載峰值電壓時(shí)，OUTA達(dá)到其高壓點(diǎn)，MAX16952必須將輸出電壓穩(wěn)定在8V。因此，發(fā)生拋負(fù)載期間，MAX16952占空比為：

　　（式7）

　　MAX16952的最小開(kāi)啟時(shí)間（tON）為80ns，因此最小占空比（2MHz開(kāi)關(guān)頻率下）為：

　　（式8）

　　0.16最小占空比可確保拋負(fù)載條件下（輸入電壓高達(dá)40V時(shí)）提供穩(wěn)定的8V輸出。

　　2、電感和電流檢測(cè)

　　圖3. MAX16952電感電流。

　　使用大電感可以降低電感電流峰值，提高降壓轉(zhuǎn)換器的效率；但也占用更大的電路板（PCB）面積，降低負(fù)載調(diào)整率。一種可以接受的折中方法是選擇適當(dāng)?shù)碾姼兄担筁IR （電感AC電流峰-峰值與DC平均電流的比值） ≤ 0.3?；趫D3，利用下式計(jì)算：

　　（式9）

　　（式10）

　　（式11）

　　根據(jù)以上方程組，可以得到電感計(jì)算公式：

　　（式12）

　　由此，常規(guī)條件下（OUTA = 12V）滿足LIR ≤ 0.3的最小電感值為：

　　（式13）

　　選擇標(biāo)準(zhǔn)電感L2 = 2.2μH，LIR = 0.24，電感峰值電流為：

　　（式14）

　　當(dāng)測(cè)流電阻R20的電壓達(dá)到68mV （最小值）時(shí)，達(dá)到電流上限。為了留出一定裕量，選擇檢流電阻時(shí)，應(yīng)使電感電流達(dá)到峰值（IPEAK）時(shí)，檢流電阻的壓降是電流門(mén)限的60%：

　　（式15）

　　R20選擇為15mΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻。