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解決拋負載和冷啟動問題的可靠車載電源管理設(shè)計

發(fā)布時間:2012-01-18

中心議題:

  • 車載電源的拋負載瞬態(tài)保護
  • 儀表板應(yīng)用中的冷啟動
  • 車載電源管理設(shè)計

解決方案:


車載電源管理的要求正變得愈加苛刻,其要求電源能夠工作在更寬泛的輸入電壓范圍、更高的電流及更高的溫度極值條件下。這些要求將使開關(guān)模式電源設(shè)計成為主流,因為這種電源設(shè)計具有更大的靈活性、更優(yōu)異的可配置性和更高的散熱效率。

開關(guān)模式的電源的核心組件是 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。今天的車載轉(zhuǎn)換器必須能夠支持各種運行條件,例如:低壓運行(也就是冷啟動)和正瞬態(tài)生存性 (positive transient survivability)(也就是抑制或未抑制的拋負載狀態(tài))。車載子系統(tǒng)的出現(xiàn)所帶來的更高負載需求使得這些數(shù)據(jù)的設(shè)計變得更為復(fù)雜。本文將給設(shè)計者提供一個關(guān)于車載電源需求的簡要介紹,并且介紹一款由 TI 最近推出的新型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 TPIC74100。

拋負載瞬態(tài)保護

幾乎所有直接連接至汽車電池的電子組件和電路都要求保護,以免于受到抑制、瞬態(tài)電壓(高達60V)和反向電壓狀態(tài)的損害。對于這些電子電路而言,必須能夠經(jīng)受住電源線路上一定程度的過電壓,這也是種常見的要求。對于那些要求任何特殊車載電子系統(tǒng)的主電源輸入均能夠在各種不同瞬態(tài)電壓狀態(tài)(包括交流發(fā)電機拋負載)下工作的車載系統(tǒng)來說尤為如此。

由于交流發(fā)電機控制環(huán)路關(guān)閉的速度不夠快,因此,在將電池電壓去除掉時,其會產(chǎn)生一個高輸出電壓脈沖。正常情況下,在汽車某個中央位置,這種高能脈沖被控制(或抑制)在一個較低的電壓范圍內(nèi)。但是,汽車制造商還是給其供應(yīng)商規(guī)定了在其電源輸入端可能出現(xiàn)的剩余過電壓。這種情況在不同轎車廠商中有所差異,但是轎車的標準峰值大約為 40V,而商務(wù)車的標準峰值則大約為 60V。一個典型拋負載脈沖的持續(xù)時間為十分之幾秒,下圖(圖 1)顯示了該拋負載狀態(tài)下的典型脈沖。

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儀表板應(yīng)用中的冷啟動

車載環(huán)境對于電源管理芯片的需求正日益增加。這些需求之一便是需要電源管理 IC 能夠在一個寬電壓偏移范圍內(nèi)工作,直接連接至電池的電子系統(tǒng)通常都會有這種電壓偏移范圍。通過觀察該冷啟動脈沖,可以描述出此類瞬態(tài)的一個實例。這種狀態(tài)可發(fā)生在寒冷環(huán)境下車輛的第一次啟動。如果溫度足夠低(冷卻至零攝氏度),那么引擎的油就會變得粘稠,通過要求提供更高的功率(扭矩),這就對馬達提出了重負載要求。這樣就需要能夠提供更高電流的電池。重負載需求可以在該點火周期內(nèi)將電池電壓立刻下拉至 3V。

我們所面臨的挑戰(zhàn)是,一些應(yīng)用必須在該過程中保持運行。這些應(yīng)用并非只限于動力傳動系 ECU 或者安全苛求的應(yīng)用,在一些集群和信息娛樂子系統(tǒng)中也同樣可以看到這些應(yīng)用的蹤影。當出現(xiàn)該狀態(tài)時,電源管理芯片必須對輸入電壓進行升壓,以便保持正確的調(diào)節(jié)輸出電壓,從而使這些電子系統(tǒng)可以正確地發(fā)揮作用。

可用于升壓∕降壓轉(zhuǎn)換的拓撲結(jié)構(gòu)包括若干種類:SEPIC(單端初級電感轉(zhuǎn)換器),或一種純降壓∕升壓轉(zhuǎn)換器。

SEPIC 轉(zhuǎn)換器

SEPIC 轉(zhuǎn)換器提供了一種降壓轉(zhuǎn)換,直到輸入電壓等于或者降到輸出電壓電平之下。然后,其將提供升壓轉(zhuǎn)換,直到電池電壓降至最小容許輸入電壓的電平。使用 SEPIC 的一個主要弊端是,它需要一個單耦合電感器(變壓器)或者兩個單獨電感器,以及一個耦合電容器,如圖 3 所示。


圖3 使用兩個單獨電感的SEPIC拓撲結(jié)構(gòu)

這些電感器和線圈的體積均較大,需要占用更多的 PCB 空間。在那些必須保持體積尺寸和板級空間的應(yīng)用中,這種情況就更加不適宜。

啟動降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

車載應(yīng)用中,對于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的需求在過去的幾年中急劇增長。對于那些電壓瞬態(tài)期間(例如:冷啟動)需要繼續(xù)“存活”的應(yīng)用而言,這就更加有益。

該降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是一款典型的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器,其具有一個大于或者小于輸入電壓振幅的輸出電壓振幅。它是一款開關(guān)模式電源,具有同升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器相類似的電路拓撲結(jié)構(gòu)。根據(jù)開關(guān)晶體管的占空比,可是可以對該輸出電壓進行調(diào)節(jié)。

這種拓撲結(jié)構(gòu)由一個降壓功率級及其兩個功率開關(guān)組成,這兩個開關(guān)又通過功率電感被連接至一個升壓功率級及其兩個功率開關(guān)。這些開關(guān)能夠以三種不同的運行模式進行控制:降壓-升壓模式、降壓模式和升壓模式。運行的特殊芯片模式是輸入到輸出電壓比率的函數(shù),同時也是芯片的控制拓撲結(jié)構(gòu)。

TPIC74100-Q1 是一款降壓-升壓開關(guān)模式調(diào)節(jié)器,其在電源概念下工作,以確保一個帶輸入電壓偏移和規(guī)定負載范圍的穩(wěn)定輸出電壓。

TPIC74100-Q1 擁有完整的電壓模式控制開關(guān),也是在同步配置中被設(shè)計出來的,以獲得整體增強效率。借助于一些外部組件(LC 組合),該器件可將輸出調(diào)節(jié)至 5V±3%,以實現(xiàn)一個寬泛的輸入電壓范圍,使其可以被許多高輸入電壓所應(yīng)用。當 5V 輸出軌超出規(guī)定容差時,該器件還可提供一種復(fù)位功能,用于檢測和指示。
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TPIC74100-Q1 擁有一個頻率調(diào)制方案,允許系統(tǒng)設(shè)計通過在頻帶上擴散頻譜噪聲(而非在特定頻率上達到峰值)來滿足 EMC 要求…

5Vg 輸出是一種開關(guān) 5V 調(diào)節(jié)輸出,其帶有內(nèi)部電流限制功能,以在驅(qū)動一個電源線路電容性負載時防止“復(fù)位”聲明 (assert)。這種功能由 5Vg_ENABLE 終端控制。如果該輸出(5Vg 輸出)上有一個接地短路,那么輸出將通過在斬波模式下運行來進行自我保護。但是,在該故障狀態(tài)下,這樣做就會增高 VOUT 的輸出紋波電壓。

降壓-升壓轉(zhuǎn)換

根據(jù)輸入電壓 (Vdriver) 和輸出負載條件的不同,該運行模式在降壓和升壓模式之間進行自動切換。

在正常運行模式中,該系統(tǒng)將會被配置為一個降壓轉(zhuǎn)換器。但是,在低輸入電壓脈沖期間,該器件自動地轉(zhuǎn)換到升壓模式運行,以維持 5V 的電壓調(diào)節(jié)。當該器件正運行于升壓模式且處于 5.8V 至 5V 的轉(zhuǎn)換 (crossover) 窗口中時,輸出調(diào)節(jié)可能包含一個高于正常情況的紋波,并且僅維持一個 3% 的容差。這種紋波和容差取決于負載情況,負載條件越高,性能就越高。

低功耗運行

在一些應(yīng)用中,例如:傳動系和儀表板群,要求低功耗模式運行以使車輛點火處于“關(guān)閉”時的功耗處于最小。TPIC74100-Q1 擁有一個輸入 LPM,當其在輕負載(通常小于 30mA)期間被開啟時將運行在 PFM(脈沖頻率調(diào)制)中。在大多數(shù)系統(tǒng)中,許多存儲器設(shè)備在點火處于“關(guān)閉”狀態(tài)時仍然需要一些功率來保留數(shù)據(jù),通常需要不到 100uA 的電流。為了支持這種運行模式,總模耗應(yīng)低于 300uA。TPIC74100-Q1 擁有 150uA(典型值)靜態(tài)電流的低功耗模式。通過開關(guān)頻率的變化完成調(diào)節(jié)。

在 PFM 模式下,用于輸出負載的減少的負載電流量是不存在的。在這種模式下,轉(zhuǎn)換器效率更低,由于更高的負載電流,輸出電壓紋波將比 PWM 模式下稍大一些。實現(xiàn)低功耗模式功能,以實現(xiàn)降壓模式運行。在升壓模式條件下,該器件將會自動進入 PWM 模式。通過開啟低功耗模式,降壓和升壓之間的轉(zhuǎn)換還有 PWM 模式和 PFM 模式之間的轉(zhuǎn)換將同時進行。

結(jié)論

在許多車載應(yīng)用中,車載瞬態(tài)電壓是一個將會不斷給設(shè)計人員帶來挑戰(zhàn)的問題。在許多需要在這些條件下不斷保持運行的車載電源管理系統(tǒng)應(yīng)用中,或者當電池電壓意外地降到要求輸出電壓電平之下時,降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將起到一個關(guān)鍵作用。TPIC74100-Q1 車載降壓/升壓轉(zhuǎn)換器將簡化車載環(huán)境中的設(shè)計,并且使設(shè)計工程師可以節(jié)省外部組件數(shù)量和 PCB 空間(其具有功率開關(guān)和同步運行集成的特點)。TPIC74100-Q1 采用一個具有散熱焊盤的 20 引腳 PWP 封裝,其規(guī)定的工作溫度范圍為 -40℃~+125℃。

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