你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

解析Maxim的汽車電源解決方案

發(fā)布時(shí)間:2011-11-30

中心議題:

  • 介紹汽車電源設(shè)計(jì)的基本原則
  • 對(duì)比通用電源拓?fù)浼軜?gòu)的幾種方案

解決方案:

  • Maxim的汽車電源解決方案


引言

電源是汽車的一個(gè)重要的環(huán)節(jié),電源的好壞直接影響汽車的性能,對(duì)電源的要求很,因具有壽命長(zhǎng),性能好,成本低等特點(diǎn)。但這些方面存在矛盾。需要用特殊的方法也解決這些問題。

汽車電源設(shè)計(jì)的基本原則

汽車電源又叫電源逆變器,是一種能夠?qū)C12V直流電轉(zhuǎn)換為和市電相同的AC220V交流電,供一般電器使用,是一種方便的電源轉(zhuǎn)換器,由于常用于汽車而得名。汽車電源一般使用汽車電瓶或者點(diǎn)煙器供電,先將這樣的低壓直流電轉(zhuǎn)換為265V左右的直流電;然后是真正的轉(zhuǎn)變階段,它將高壓的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?20V、50Hz的交流電。有了汽車電源,您就可以把家里所有的小家電搬到車上使用,如手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、車用冰箱、攝像機(jī)、DVD等,從而使人在車?yán)镉幸环N置身家中的感覺。自它面世以后,那些在車?yán)锸褂秒娖鞯闹T多局限將不復(fù)存在,可以使人真正享受“與家同行,與世界相通”的感覺。

大多數(shù)汽車電源架構(gòu)需要遵循六項(xiàng)基本原則:

1 輸入電壓范圍VIN:12V電池電壓的瞬間波動(dòng)范圍決定了電源轉(zhuǎn)換IC的輸入電壓范圍。汽車電源充分考慮到外部的使用環(huán)境,當(dāng)發(fā)生過載或短路現(xiàn)象時(shí)將自動(dòng)保護(hù)關(guān)機(jī)。汽車電源的輸出電壓通過本身的反饋確認(rèn)可以使電壓穩(wěn)定,空載與額定的電壓值變化小于10V。需要說明的是,汽車電源的目的是輸出和市電相同的電壓,滿足用電器的需要,但實(shí)際上汽車電源輸出的是模擬正弦波,而市電是真正的正弦波,兩者略有不同,一般不影響使用,這是汽車電源的工作原理決定的。

ISO7637-1行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義了汽車電池的電壓波動(dòng)范圍。圖1和圖2所示波形即為ISO7637標(biāo)準(zhǔn)給出的波形,圖中顯示了高壓汽車電源轉(zhuǎn)換器需要滿足的臨界條件。


 圖1  冷啟動(dòng)電壓波形

圖2  拋負(fù)載電壓波形
 

2 散熱考慮:散熱需要根據(jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的最低效率進(jìn)行設(shè)計(jì)。

精心設(shè)計(jì)的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的效率通常高于線性穩(wěn)壓器,較高的轉(zhuǎn)換效率可以省去電源設(shè)計(jì)中的大尺寸散熱片和大的封裝外形。20W以上的大功率設(shè)計(jì)對(duì)于熱管理要求比較嚴(yán)格,需要采用同步整流架構(gòu)。高效率的外部MOSFET控制器有助于改善電源的散熱能力。

3 靜態(tài)工作電流(IQ)及關(guān)斷電流(ISD):隨著汽車中電子控制單元(ECU)數(shù)量的快速增長(zhǎng),從汽車電池消耗的總電流也不斷增長(zhǎng)。即使當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作并且電池電量耗盡時(shí),有些ECU單元仍然保持工作。為了保證靜態(tài)工作電流IQ在可控范圍內(nèi),大多數(shù)OEM廠商開始對(duì)每個(gè)ECU的IQ加以限制。

4 成本控制:OEM廠商需要折中考慮模塊成本、開發(fā)/認(rèn)證成本、產(chǎn)品上市時(shí)間以及規(guī)格指標(biāo)。在成本允許的前提下保證最優(yōu)設(shè)計(jì),電源部分的材料清單在成本上可能占據(jù)非常重要的地位。模塊成本與PCB類型、散熱片、器件布局及其設(shè)計(jì)因素有關(guān)。例如,用FR-4 4層板代替CM-3單層板對(duì)于PCB的散熱會(huì)產(chǎn)生很大差異。

5 位置/布局:在電源設(shè)計(jì)中PCB和元件布局會(huì)限制電源的整體性能。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路板布局、噪聲靈敏度、多層板的互連問題以及其它布板限制都會(huì)制約高芯片集成電源的設(shè)計(jì)。而利用負(fù)載點(diǎn)電源產(chǎn)生所有必要的電源也會(huì)導(dǎo)致高成本,將眾多元件集于單一芯片并不理想。電源設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)具體的項(xiàng)目需求平衡整體的系統(tǒng)性能、機(jī)械限制和成本。[page]

6 電磁輻射:一個(gè)工作電路所產(chǎn)生的電磁干擾可能導(dǎo)致另一個(gè)電路無法正常運(yùn)行。例如,無線電頻道的干擾可能導(dǎo)致安全氣囊的誤動(dòng)作,為了避免這些負(fù)面影響,OEM廠商針對(duì)ECU單元制定了最大電磁輻射限制。

為保持電磁輻射(EMI)在受控范圍內(nèi),DC-DC轉(zhuǎn)換器的類型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、外圍元件選擇、電路板布局及屏蔽都非常重要。經(jīng)過多年的積累,電源IC設(shè)計(jì)者研究出了各種限制EMI的技術(shù)。外部時(shí)鐘同步、高于AM調(diào)制頻段的工作頻率、內(nèi)置MOSFET、軟開關(guān)技術(shù)、擴(kuò)頻技術(shù)等都是近年推出的EMI抑制方案。

應(yīng)用與功率需求

大多數(shù)系統(tǒng)電源的基本架構(gòu)選擇應(yīng)從電源要求以及汽車廠商定義的電池電壓瞬變波形入手。對(duì)于電流的要求應(yīng)該反映到電路板的散熱設(shè)計(jì)。表1歸納了大多數(shù)設(shè)計(jì)的電路及電壓要求。

通用電源的拓?fù)浼軜?gòu)

降壓變換器是構(gòu)成大多數(shù)開關(guān)變換器架構(gòu)基礎(chǔ)的基本拓?fù)洹K亲钔ㄓ玫耐負(fù)?,在分布電源系統(tǒng)中會(huì)用到這種拓?fù)?,因?yàn)楸仨氉儞Q高dc電壓(48V)到較低的電壓,而且功耗小。開關(guān)是一個(gè)功率晶體管(通常是MOSFET),其柵極由執(zhí)行脈寬調(diào)制(PWM)的IC驅(qū)動(dòng)它控制占空比(晶體管的開關(guān)時(shí)間),從而控制輸出電壓大小。

這里列出了四種常用的電源架構(gòu),總結(jié)了最近三年汽車領(lǐng)域的典型設(shè)計(jì)架構(gòu)。當(dāng)然,用戶可以通過不同方式實(shí)現(xiàn)具體的設(shè)計(jì)要求,多數(shù)方案可歸納為這四種結(jié)構(gòu)中的一種。

方案 1

該架構(gòu)為優(yōu)化DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率、布局、PCB散熱及噪聲指標(biāo)提供了一種靈活設(shè)計(jì)。方案1的主要優(yōu)勢(shì)是:

增加核設(shè)計(jì)的靈活性。即使不是最低成本/最高效率的解決方案,增加一個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器有助于重復(fù)利用原有設(shè)計(jì)。
有助于合理利用開關(guān)電源和線性穩(wěn)壓器。例如,相對(duì)于直接從汽車電池降壓到1.8V,從3.3V電壓產(chǎn)生1.8V300mA的電源效率更高、成本也更低。
分散PCB的熱量,這為選擇轉(zhuǎn)換器的位置及散熱提供了靈活性。
允許使用高性能、高性價(jià)比的低電壓模擬IC,與高壓IC相比,這種方案提供了更寬的選擇范圍。
方案1的缺點(diǎn)是:較大的電路板面積、成本相對(duì)較高、對(duì)于有多路電源需求的設(shè)計(jì)來說過于復(fù)雜。

方案 2

該方案是高集成度與設(shè)計(jì)靈活性的折衷,與方案1相比,在成本、外形尺寸和復(fù)雜度方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。特別適合2路降壓輸出并需要獨(dú)立控制的方案。


圖3  電源結(jié)構(gòu)
 

采用外置MOSFET的兩路輸出控制器可以提供與方案相同的PCB布板靈活性,便于散熱。內(nèi)置MOSFET的轉(zhuǎn)換器,設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意不要在PCB的同一位置耗散過多的熱量。

方案 3

這一架構(gòu)把多路高壓轉(zhuǎn)換問題轉(zhuǎn)化成一路高壓轉(zhuǎn)換和一個(gè)高度集成的低壓轉(zhuǎn)換IC,相對(duì)于多輸出高壓轉(zhuǎn)換IC,高集成度低壓轉(zhuǎn)換IC成本較低,且容易從市場(chǎng)上得到。如果方案3中的低壓PMIC有兩路以上輸出,那么方案3將存在與方案4相同的缺陷。

方案3的主要劣勢(shì)是多路電壓集中在同一芯片,布板時(shí)需要慎重考慮PCB散熱問題。


圖4  汽車電源管理IC[page]
 

方案 4

最新推出的高集成度PMIC可以在單芯片上集成所有必要的電源轉(zhuǎn)換和管理功能,突破了電源設(shè)計(jì)中的諸多限制。但是,高集成度也存在一定的負(fù)面影響。在高集成度PMIC中,集成度與驅(qū)動(dòng)能力總是相互矛盾。

把低壓轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)到高壓轉(zhuǎn)換器有助于降低成本,但這種方式受限于穩(wěn)壓器的開/關(guān)控制。

Maxim的汽車電源解決方案

Maxim的汽車電源IC克服了許多電源管理問題,能夠提供獨(dú)特的高性能解決方案。電源產(chǎn)品包括過壓保護(hù)、微處理器監(jiān)控、開關(guān)轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器等高度集成的多功能PMIC (如圖4所示)。電源IC符合汽車級(jí)質(zhì)量認(rèn)證和生產(chǎn)要求,例如:AECQ100認(rèn)證、DFMEA、不同的溫度等級(jí)、特殊的封裝要求。

要采購轉(zhuǎn)換器么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉