高频汽车电源设计

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*

　　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。