高频汽车电源设计

liyf

摘要：IC设计中，把高频率的开关电路和高电压电路结合在一起是一件非常困难的事情。然而，在提供适当高压保护的前提下，设计高频汽车电源是完全可行的。随着汽车中集成越来越多的电子设备，对高频工作的需求也越来越迫切。本文讨论几种在汽车的嘈杂环境下保护低压电路的方法，包括噪声抑制的测试结果。

概述对于电源系统设计人员来说，电路密度的提高既是挑战也是机会。多数汽车电子模块要求低压供电，如5V、3.3V。如果通过线性降压方案将电池电压转换成所需电压，会消耗过多的能量。过多的功率耗散则会提高温度管理系统的设计难度和成本，随着处理器和ASIC工作速度的提升，需要消耗更大功率，这就要求使用结构复杂的高效开关转换器取代简单的低成本、低效率线性电源。


开关转换器的优势工作在高开关频率的电源允许选用小尺寸有源元件，如电感、电容，由此可见，开关电路的尺寸取决于电源工作频率。一个高效转换器不仅能够降低功耗，还可以节省空间和昂贵的散热器。因此，使用开关转换器可以使电源模块的总尺寸减小。考虑到这些优点，开关转换器成为车身控制、信息系统、引擎控制电路的理想电源管理方案。


开关转换器的选择开关频率对于开关转换器设计非常重要，因为开关电源的很多问题都与工作频率有关。开关频率和它的高次谐波会对其他电路产生电磁干扰，例如，一个调幅收音机对于530kHz到1710kHz的干扰非常敏感。开关频率超过1710kHz时才能消除基波和高次谐波的干扰。测试数据显示，中等电压、高频处理器配合简单的保护电路，正如Maxim产品所采用的架构，可以提供完美的汽车电源管理方案。所以，设计人员不需要高压控制方案即可设计合理的开关转换器。

随着开关频率的增加，电路的能量损耗会增大，这在一定程度上削弱了高频工作的优势。因为开关的损耗与工作电压的平方成正比，在高输入电压下开关损耗会更高。典型的汽车电源管理IC需要支持较高电压(40V或更高)，以承受甩负载和瞬态过压。处理高压则需较大的芯片尺寸和较厚的栅极，对应的沟道尺寸较长，造成较长的传输延时。这样，固有的低速处理过程也降低了转换效率，因为开关切换时较长的上升/下降时间会引起较大的开关损耗。

Maxim采用先进的处理工艺提高了转换器的开关效率，为中等电压提供出色的高速转换设计方案。以MAX5073为例，它有2路工作在2.2MHz开关频率的升/降压转换控制器，支持23V输入。转换器异相工作使其能够工作在4.4MHz频率下，并保持较高的转换效率。

假设开关转换器能够抑制电源干扰，需要考虑的另一个问题是：汽车应用是否真的需要高压工作IC？下面我们通过讨论汽车电源的干扰以及对低压电路的保护措施回答上述问题。


电源的过压条件过压保护(OV)器件能够隔离汽车电子系统中连线(通常连接到主电源)所产生的高压传导，有效保护电子电路。对传导干扰的承受能力称为传导抑制。

汽车制造商和标准组织定义了各种测试方法来评估电路的传导抑制，汽车OEM厂商的要求大多出自ISO7637标准。以下归纳了与汽车电子应用相关的过压保护问题，但并未全面概括所有与传导干扰相关的细节。


稳态过压保护持续时间较长的过压条件被看作稳态过压，例如，过压持续时间超过了对应器件的热时间常数。这种情况下，连续的功率耗散引起温度快速上升成为首要问题，稳态过压通常包括以下几种情况：失效的交流电机调节器、双电池突发启动或和电池反接，以下是各项详细说明。

失效交流电机调节，调节交流电机的输出，通过控制励磁绕组的电流幅度调整速度、负荷及温度。调节过程通常由电路(电压调节器)完成，利用脉宽调制(PWM)电机的励磁绕组保持稳定的电机输出。电压调节器的典型输出设置为13.5V。然而，电压调节器会出现失效，无论负载或输出电压处于何种条件，都将作用一个满量程励磁电流。

发生失效时，整个系统都要承受高于13.5V (实际电压取决于汽车速度、负荷极其他条件)的电压，典型的调节器失效OEM测试要求是在18V持续一个小时。大部分系统要求符合这个测试条件，虽然有些舒适度和便利功能允许在这种情况下偏离其正常工作状态。

双电池突发启动，这是另外一种稳态过压条件，一般发生在拖车或维修人员使用24V电原发动不工作的汽车，或对完全放电的电池进行充电的情况下，对于这种情况，典型的 OEM测试要求是在24V下持续2分钟。有些与安全、引擎管理相关的系统需要保证在这种条件下能够工作。

电池反接，在生产和维修过程中可能会出现电池反接情况，这时，要求大多数系统可以不工作，但一定要保证不会损坏。典型测试要求是在-14V下持续一分钟，这个测试对系统来说是个挑战，因为需要大电流或低压降。


瞬态过压保护汽车系统中，大多数过压条件都是由感性负载的开关操作引起的瞬态过压，这类负载包括启动电机、燃油泵、车窗电机、继电器线圈、螺线管、点火器件和分布电感等。任何感性负载上的脉冲电流都会产生过压脉冲。根据幅度、持续时间的要求，可以选择滤波器、金属氧化物可变电阻、瞬态电压抑制器等抑制这类瞬态过压。图1至图4说明了ISO7637对过压抑制的要求，表1是对ISO7637规定的总结。




图1. 周期性的开关操作会产生周期性的负脉冲，幅度在(80V至-150V，持续时间1ms至140ms，典型源阻抗为5Ω至25Ω。




图2. 周期性的开关操作使电路产生正向脉冲电压，幅度在+75V至+150V，典型持续时间50μs。典型源阻抗为2Ω至10Ω。




图3. 周期性开关操作在电路中产生-150V、100ns的负脉冲(3a)和100V、100ns的正脉冲(3b)，源阻抗典型值为50Ω。




图4. 交流电机以大电流给放电电池充电时突然中断，将会产生一个甩负载脉冲。电流突降会在电机输出端产生一个高压，以保持系统内部的总能量。瞬态持续过程取决于电机励磁电路的时间常数和调节器的响应时间。

表1. 来自不同OEM的传导抑制测试*
Pulse Type
OEM#1
OEM#2
OEM#3
OEM#4
OEM#5
OEM#6
OEM#7
OEM#8

Pulse 1
Td
2ms
2ms
2ms
2ms
5ms
50μs
140ms
46ms

Vp
-100V
-100V
-100V
-150V
-100V
-100V
-80V
-80V

Rs
10Ω
10Ω
10Ω
10Ω
25Ω
10Ω
5Ω
20Ω

Pulse 2
Td
50μs
50μs
50μs
50μs

2ms
5.7μs


Vp
150V
50V
100V
75V

200V
110V


Rs
4Ω
2Ω
10Ω
2Ω

10Ω
0.24Ω


Pulse 3a
Td
100ns
100ns
100ns
100ns

100ns
4.6ms


Vp
-150V
-150V
-150V
-112V

-150V
-260V


Rs
50Ω
50Ω
50Ω
50Ω

50Ω
34Ω


Pulse 3b
Td
100ns
100ns
100ns
100ns

100ns



Vp
100V
100V
100V
75V

100V



Rs
50Ω
50Ω
50Ω
50Ω

50Ω



Pulse 5
Td
300ms
400ms
300ms

120ms

500ms
380ms

Vp
50V
100V
43.5V

80V

70V
60V

Rs
0.5Ω
2Ω
0.5Ω

2.5Ω

0.5Ω
0.75Ω*电压及持续时间仅供参考，实际测量数据可能有所变化。

如上所述，电池电压不能直接供给低电压、高性能开关转换器，而是将电池连接到瞬态电压抑制起，如MOV或旁路电容及其后续的传统限幅电路。这些简单电路一般采用p沟道MOSFET构成(图5a)。p沟道MOSFET的额定电压为50V至100V，具体取决于VBAT输入端的瞬态电压。

利用12V齐纳二极管(Z1)保护MOSFET的栅-源极，防止栅-源电压超过VGSMAX, 当输入电压(VBAT)低于齐纳管Z2的击穿电压时，MOSFET处于饱和状态。输入电压发生瞬变时，MOSFET将阻止高于Z2击穿电压的电压通过。这个电路的缺点是使用了一个昂贵的p沟道MOSFET和许多外围元件。




图5a. 输入限幅电路(保护电路)采用了一个p沟道MOSFET。

另一方案是使用NPN晶体管，NPN管的基极电压嵌位在VZ3, 将发射极电压调整在(VZ3 - VBE)。这个方案成本较低，但VBE压降产生一定的损耗：PLOSS = IIN x VBE。另外，VBE压降也增加对电池最小工作电压的要求，尤其是在冷启动情况(图5b)。第三个方案是使用n沟道MOSFET，n沟道MOSFET的选择范围较广，而且便宜，可以作为隔离元件使用。其栅极驱动比较复杂，要求VG高于源极电压。




图5b. 输入限幅电路(保护电路)采用了一个NPN晶体管。




图5c. 输入限幅电路(保护电路)采用了一个n沟道MOSFET。

图5c给出了一个使用n沟道MOSFET开关的隔离电路，甩负载情况下，当VBAT电压超过设置门限时，MOSFET完全关闭。随后，只要VBAT电压高于设置门限，MOSFET将一直保持关闭状态。过压保护控制器MAX6398可以汽车过压(如甩负载或双电池供电)时，控制n沟道MOSFET，保护高性能电源，图6给出了方案的原理框图。图7至图9给出了实验室和实际工作环境下的噪声抑制测试结果，所采用的是n沟道MOSFET瞬态保护电路。




图 6. MAX5073 2MHz buck转换器配合MAX6398保护开关的典型电路，该设计具有高性能以及较高的抗干扰能力。




图7. MAX5073双buck转换器的输入纹波、开关波形测试结果，转换器分别工作在2.2MHz开关频率，输入电容纹波的的频率为4.4MHz (CH1 = 第2路时钟源; CH2 = 第1路时钟源; CH3 = 输入电容纹波; CH4 = 时钟输出)。




图8A和8B. 脉冲(80V，120ms，OEM#5)作用在保护器的输入， MAX5073连接在保护器的输出，监测转换器的第1路和第2路输出。

图中波形为图6所示保护器输出和两路转换器输出的响应特性，时间刻度分别为1s/cm (A)和1ms/cm (B)。(CH1 = VBAT; CH2 = VPROT; CH3 = 第1路输出; CH4 = 第2路输出)




图9A和图9B. 脉冲(70V，500ms)作用在图6所示保护开关的输入，MAX5073连接到保护器的输出，监测转换器的第1路输出和第2路输出。

图中波形为保护器输出和两路转换器输出的响应特性，时间刻度分别为1s/cm (A)和200μs/cm (B)。(CH1 = VBAT; CH2 = VPROT; CH3 = 第1路输出; CH4 = 第2路输出)

如图9所述，MAX6398功能模块完全支持汽车应用中的甩负载设计，提供低电压、高性能输出。利用保护电路、低电压、高频工作特性可有效节省电路板空间，降低成本。