在惡劣條件下，汽車應用電源必須能夠無故障運行——設(shè)計人員必須考慮所有的緊急情況，包括拋負載、冷啟動、蓄電池極性接反、雙蓄電池跨接、尖峰箝位和LV124、ISO7637-2、ISO17650-2、TL82066定義的其他瞬變狀態(tài)，以及機械振動、噪聲、極寬的溫度范圍等。本文主要討論汽車電源規(guī)范的關(guān)鍵要求以及滿足汽車規(guī)范的解決方案，包括：

 

● 汽車輸入瞬變

● 輸入電壓范圍

● 輸出電壓/電流

● 低靜態(tài)電流(IQ)

● 電磁干擾(EMI)

 

本文展示了幾個示例解決方案，說明了高性能器件組合如何輕松解決汽車電源難題。

 

惡劣的汽車環(huán)境

 

圖1顯示了一個完整的電源解決方案，其滿足汽車應用的苛刻要求。在前端，LT8672充當理想二極管，保護電路免受引擎蓋下殘酷環(huán)境的影響，防止發(fā)生破壞性故障，例如極性接反。理想二極管之后是一系列低靜態(tài)電流(IQ)降壓型穩(wěn)壓器，它們具有寬輸入范圍——工作電壓從低至3V到高達42V——可為內(nèi)核、I/O、DDR和外設(shè)需要的其他電源軌提供穩(wěn)定電壓。

 

圖 1. ADI 滿足汽車電子瞬變抗擾度要求的 ADI Power 解決方案概覽

 

這些穩(wěn)壓器具有超低靜態(tài)電流，可延長永遠在線系統(tǒng)的電池運行時間。低噪聲電源轉(zhuǎn)換技術(shù)最大限度地減少了耗資不菲的降低EMI的需求，并縮短了滿足嚴格汽車EMI標準的設(shè)計和測試周期。對于許多必須穿越冷啟動事件的關(guān)鍵功能，LT8603多通道低IQ降壓型穩(wěn)壓器內(nèi)置預調(diào)節(jié)升壓控制器，可實現(xiàn)具有至少三個穩(wěn)壓電壓軌的緊湊型解決方案。LT8602可提供四個穩(wěn)壓電壓軌來滿足許多高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)應用的需求，例如碰撞預警、緩沖剎車和盲點監(jiān)視。

 

圖2顯示了一個傳統(tǒng)汽車電氣系統(tǒng)，其中發(fā)動機驅(qū)動交流發(fā)電機。交流發(fā)電機本質(zhì)上是一個三相發(fā)電機，其交流輸出由一個全二極管電橋整流。此整流器的輸出用于為鉛酸電池充電，并 為12V電路和設(shè)備供電。典型負載包括ECU、燃油泵、制動器、風扇、空調(diào)、音響系統(tǒng)和照明。越來越多的ADAS被添加到12總線，包括外設(shè)、I/O、DDR、處理器及其電源。

 

圖 2. 汽車中的典型電氣系統(tǒng)

 

電動汽車在一定程度上改變了上述畫面。發(fā)動機被電動機代替，DC-DC轉(zhuǎn)換器將400V高壓鋰離子(Li-Ion)電池組電壓轉(zhuǎn)換為12V，而不是交流發(fā)電機。然而，傳統(tǒng)的12V交流發(fā)電機設(shè)備以及其瞬態(tài)脈沖(包括快速脈沖)仍然存在。

 

發(fā)動機在很窄的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)以峰值效率運行，因此在大多數(shù)情況下(下面會有更多說明)，交流發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)輸出和電池電壓相對穩(wěn)定，比如大約為13.8V。每個直接由汽車電池供電的電路必須在9V至16V的范圍內(nèi)可靠運行，但魯棒的汽車電子設(shè)計也必須能在異常情況(這在最麻煩的時候不可避免地會發(fā)生)下運行。

 

雖然交流發(fā)電機的輸出名義上是穩(wěn)定的，但其穩(wěn)定性并未達到無需調(diào)理便可為車輛其他系統(tǒng)供電的程度。意外的電壓尖峰或瞬變對下游電子系統(tǒng)有害，如果處理不當，可能會導致這些系統(tǒng)發(fā)生故障或造成永久性損壞。在過去幾十年中，為了定義汽車電源所面對的尖峰和電壓瞬變，并設(shè)定設(shè)計的預期目標，出現(xiàn)了許多汽車標準，例如ISO7637-2、ISO16750-2、LV124、TL82066。

 

有源整流器控制器LT8672

 

● AEC-Q100通過汽車應用認證

● 反向輸入保護可達-40V

● 與肖特基二極管相比，改進了性能

（1）將功耗降低>90%

（2）將壓降降至20mV

● 超快瞬態(tài)響應

（1）整流6VP-P高達50kHz

（2）整流2VP-P高達100kHz

● 寬工作電壓范圍：3V至42V

● 工作模式下的低20µA靜態(tài)電流

● 低3.5µA關(guān)斷電流

● 精確的1.21V使能引腳閾值

● 小型10引腳MSOP封裝、10引腳3mm × 2mm DFN封裝和3mm × 2mm側(cè)可濕DFN封裝

 

最重要且最具挑戰(zhàn)性的高壓瞬變之一是拋負載。在汽車電子中，拋負載是指在電池充電時車輛電池與交流發(fā)電機斷開連接。在拋負載瞬變期間，由于時間常數(shù)很大，交流發(fā)電機的勵磁場仍會很高——即使沒有負載，交流發(fā)電機仍然輸出高功率。電池是一個大電容，通常會吸收額外的能量，但當端子松動或其他問題導致電池斷開連接時，它就無法再提供這項服務。因此，所有其他電子設(shè)備都會看到電壓浪涌，必須能夠承受拋負載事件。一次未受抑的拋負載事件可以產(chǎn)生100V以上的電壓。慶幸的是，現(xiàn)代汽車交流發(fā)電機使用雪崩額定整流二極管，拋負載電壓被限制在35V——這與常態(tài)相比仍有很大偏離。拋負載事件最長可持續(xù)400ms。

 

另一種高壓事件是跨接啟動。一些拖車使用兩個串聯(lián)電池來確保跨接啟動有效，激活汽車電量耗盡的電池，因此汽車的電路必須能夠承受雙倍標稱電池電壓(28V)幾分鐘。很多高壓降壓型穩(wěn)壓器，如Silent Switcher® 和Silent Switcher2系列，包括LT8650S和LT8640S，工作電壓最高可達42V，超出了上述要求。相比之下，額定電壓較低的器件則需要箝位電路，這會增加成本并降低效率。某些穩(wěn)壓器，例如LT8645S 和LT8646S，額定電壓為65V，支持卡車和飛機應用(其中24V系統(tǒng)是標準配置)。

 

表1. 支持汽車應用的Silent Switcher和Silent Switcher 2單片降壓型穩(wěn)壓器

 

當駕駛員發(fā)動汽車時，起動器會從電池汲取數(shù)百安培的電流，因而又會發(fā)生一次電壓瞬變。這會在短時間內(nèi)拉低電池電壓。對于傳統(tǒng)汽車，只有當汽車由駕駛員啟動時才會發(fā)生這種情況；例如，啟動汽車開到超市，然后再次啟動開回家?，F(xiàn)代汽車具有啟停功能以節(jié)省燃料，在往返超市的行程中，可能會多次發(fā)生啟停事件——例如每遇到一個停車標志和每遇到一個紅燈。與傳統(tǒng)汽車相比，額外的啟停事件給電池和起動器帶來的壓力大大增加。

 

圖 3. LT8672 響應電池極性接反

 

此外，如果在寒冷的早晨啟動汽車，起動器汲取的電流要大于環(huán)境溫度較高時汲取的電流，電池電壓降至3.2V或更低并持續(xù)大約20ms——這稱為冷啟動。即使在冷啟動條件下，有一些功能也必須保持有效。好消息是，此類關(guān)鍵功能在設(shè)計上通常不需要很大的功率。集成解決方案，例如多通道轉(zhuǎn)換器LT8603，即使其輸入電壓降至3V以下也能保持穩(wěn)壓。

 

ISO7637-2和TL82066定義了許多其他脈沖。有些不僅具有較高的正電壓或負電壓，還有較高的源阻抗。與上述事件相比，這些脈沖的能量相對較低，并且可以通過適當選擇輸入TVS進行濾波或箝位。

 

理想二極管滿足汽車抗擾度規(guī)范

 

有源整流控制器LT8672,具有高輸入電壓額定值(+42V、-40V)、低靜態(tài)電流、超快瞬態(tài)響應速度、超低外部FET壓降控制等特性，可在12V汽車系統(tǒng)中提供保護，其功耗極低。

 

電池極性接反

 

每當電池端子斷開連接時，汽車電池極性就有可能因失誤而接反，電子系統(tǒng)可能會因負電池電壓而受損。阻塞二極管通常與電源輸入串聯(lián)以防止電源反向，但阻塞二極管會有壓降，導致系統(tǒng)效率低下并降低輸入電壓，尤其是在冷啟動期間。

 

LT8672是無源二極管的理想替代品，可保護下游系統(tǒng)免受負電壓影響，如圖3所示。

 

在正常情況下，LT8672控制外部N溝道MOSFET，形成理想二極管。GATE放大器檢測DRAIN和SOURCE，驅(qū)動MOSFET柵極，將正向電壓調(diào)節(jié)至20mV。在負載階躍和過壓情況下，D1在正方向上保護SOURCE。當輸入端出現(xiàn)負電壓且SOURCE變?yōu)樨撝禃r，GATE被拉至SOURCE，關(guān)斷MOSFET并將DRAIN與負輸入隔離。憑借快速下拉(FPD)功能，LT8672可以快速關(guān)斷外部MOSFET。

 

圖 4. LT8672 對極性接反的響應波形

 

疊加交流電壓

 

電池軌上的常見干擾是疊加的交流電壓。這種交流分量可以是整流交流發(fā)電機輸出的偽像，或者是高電流負載(例如電動機、燈泡或PWM控制的負載)頻繁切換的結(jié)果。根據(jù)汽車規(guī)范ISO16750和LV124，ECU可能會受其電源上疊加的交流紋波(頻率可達30 kHz，幅度可達6Vp-p)的影響。在圖5中，高頻交流紋波疊加在電池線路電壓上。典型的理想二極管控制器的響應速度太慢，但LT8672能產(chǎn)生高達100kHz的高頻門控脈沖，可根據(jù)需要控制外部FET來抑制這些交流波紋。

 

圖 5. LT8672 對疊加交流電壓的響應波形

 

LT8672抑制電源軌上常見交流成分的獨特能力，是其快速上拉(FPU)和快速下拉(FPD)控制策略及其強大的柵極驅(qū)動能力的結(jié)果，柵極驅(qū)動器由集成升壓型穩(wěn)壓器供電。與電荷泵柵極電源解決方案相比，該升壓型穩(wěn)壓器使LT8672能夠保持穩(wěn)定的11V電壓，外部FET保持導通，同時提供很大的柵極拉電流來降低高頻交流紋波整流的開關(guān)損耗。其50mA拉電流能力支持FET的超快速導通，使功耗最低；其300mA灌電流能力支持快速關(guān)斷，使反向電流傳導最小。此外，這還顯著降低了輸出電容中的紋波電流。疊加交流電壓的典型整流波形如圖6所示。

 

圖 6. LT8672 對疊加交流電壓的響應波形

 

此外，與相同負載條件下的傳統(tǒng)肖特基二極管解決方案相比，LT8672有效降低了傳導損耗。如圖7的熱圖像所示，使用LT8672的解決方案比傳統(tǒng)的基于二極管的解決方案溫度要低近20°C。它不僅提高了效率，而且無需大型散熱器。

 

汽車電子系統(tǒng)輸入端出現(xiàn)的高峰值窄脈沖通常有兩個來源：

 

● 在串聯(lián)或并聯(lián)了感性負載的情況下斷開輸入電源

● 負載的切換過程影響線束的分布電容和電感。

 

圖 7. 熱性能比較

 

其中的某些脈沖可能有高電壓峰值。例如，ISO7632-2中定義的脈沖3a是峰值電壓超過-220V的負尖峰，而脈沖3b的最大峰值電壓為150V加上電池的初始電壓。雖然它們有很大的內(nèi)部阻抗和非常短的持續(xù)時間，但如果遇到這些脈沖，下游電子設(shè)備很容易損壞。

 

為了抑制這種尖峰，前端安裝了兩個大小合適的TVS。事實上，一些低能量脈沖可以由輸入電容和寄生線電感的濾波器效應直接吸收。

 

圖 8. LV 124 中定義的 12 V 系統(tǒng)的嚴重冷啟動事

 

圖 9. 冷啟動事件

 

多軌穩(wěn)壓器穿越冷啟動事件

 

LT8602是一種緊湊型解決方案，可提供多達四個穩(wěn)壓軌(例如5V、3.3V、1.8V、1.2V)，輸入電壓范圍為5V至42V，適用于冷啟動期間不一定需要開啟的功能。對于冷啟動期間也必須運行的功能，例如火花塞控制器或報警，應使用LT8603之類的解決方案，其輸入電壓可低至3V(或更低)。

 

LV124定義了冷啟動的最壞情況，如圖8所示。它指出，在汽車啟動時，最低電池電壓可以低至3.2V并持續(xù)19ms。當面臨傳統(tǒng)(非理想二極管)解決方案中電池反向保護引起的額外二極管壓降時，該規(guī)范要求應用以低至2.5V的電壓保持運行。無源二極管保護方案可能需要降壓-升壓穩(wěn)壓器，而不是復雜度更低、效率更高的降壓型穩(wěn)壓器，以提供許多微控制器常常需要的穩(wěn)定3V電源。

 

LT8672控制器的最小輸入工作電壓為3V VBATT, 支持有源整流器以輸入和輸出之間的最小壓降(20mV)穿越冷啟動脈沖。冷啟動期間的下游電源輸入電壓不低于3V，這樣便可使用最小工作電壓為3V且有低壓差特性的降壓型穩(wěn)壓器(如LT8650S)來產(chǎn)生3V電源。

 

同LT8650S一樣，ADI許多汽車IC的最小額定輸入電壓為3V。

 

圖9比較了采用LT8672和采用傳統(tǒng)二極管的1.8V電源。降壓型穩(wěn)壓器工作電壓低至3V。如圖所示，采用傳統(tǒng)二極管時，當電池電壓 VBATT 降至3.2V時，降壓穩(wěn)壓器的VIN降至2.7V左右，原因是二極管的高壓降觸發(fā)下游開關(guān)穩(wěn)壓器UVLO關(guān)斷，其1.8V輸出崩潰。相比之下，LT8672輸出電壓在冷啟動期間幾乎保持恒定，下游降壓穩(wěn)壓器能夠保持1.8V輸出。

 

眾多關(guān)鍵功能需要穩(wěn)定的5V和3.3V電源軌，以及低于2V的電壓軌，用以為模擬和數(shù)字IC中的元器件、處理器I/O和內(nèi)核供電。當直接由VBATT供電時，如果VBATT低于其輸出或VIN(MIN),純降壓型穩(wěn)壓器將失去穩(wěn)壓能力。但是，此類關(guān)鍵功能通常不需要太多功率，因此可以使用高集成度緊湊型解決方案，例如6mm×6mm、四路輸出、三通道單片降壓轉(zhuǎn)換器和升壓控制器LT8603。

 

LT8603的集成升壓控制器的工作電壓可低于2V，是其它三個降壓型穩(wěn)壓器的理想預調(diào)節(jié)器。圖10顯示了針對這些應用的ADI Power最先進的解決方案，它可以穿越冷啟動事件。兩個高壓降壓型穩(wěn)壓器由預升壓轉(zhuǎn)換器供電。當 VBATT降至8.5V以下時，升壓控制器開始切換，輸出(OUT4)被調(diào)節(jié)至8V。一旦啟動，輸出電壓就會保持穩(wěn)定，而輸入電壓可以低至3V。因此，兩個高壓降壓穩(wěn)壓器可以穿越冷啟動狀況，同時提供恒定的5V和3.3V輸出，如圖11所示。一旦VBATT從冷啟動狀況恢復到8.5V以上，升壓控制器就像直通二極管一樣工作。高壓降壓穩(wěn)壓器可以處理高達42V的VBATT。低電壓降壓穩(wěn)壓器由OUT2供電，在冷啟動事件中提供1.2V電壓。

 

圖 10. LT8672 和 LT8603 解決方案可以承受并穿越冷啟動事件

 

圖 11. LT8672 和 LT8603 組合可產(chǎn)生5V 和3.3 V輸出，從而穿越冷啟動事件

 

超低IQ延長永遠在線系統(tǒng)的電池運行時間

 

對于連接到VBATT工作數(shù)周或數(shù)月而電池不充電的永遠在線系統(tǒng)，輕負載和無負載效率有時候比滿負載效率更重要。ADI Power 系列超低靜態(tài)電流(IQ)器件可保護電池電量，同時能承受挑戰(zhàn)性的瞬態(tài)狀況并支持寬輸入電壓范圍(3V至42V)和寬溫度范圍。為了優(yōu)化效率并在輕負載和無負載時保持穩(wěn)壓，穩(wěn)壓器應提供Burst Mode®(突發(fā))工作模式。在兩次突發(fā)操作之間， 所有與控制輸出開關(guān)相關(guān)的電路都關(guān)斷，輸入電源電流減小到幾微安。相比之下，典型的降壓穩(wěn)壓器為了在空載情況下保持穩(wěn)壓，可能需要從VBATT汲取數(shù)百微安，電池電量消耗速度會快幾個數(shù)量級。

 

給定輕負載下的突發(fā)模式效率主要受開關(guān)損耗的影響，開關(guān)損耗與開關(guān)頻率和柵極電壓有關(guān)。由于接通和關(guān)斷MOSFET以及讓內(nèi)部邏輯保持活動狀態(tài)需要一定的能量，所以降低開關(guān)頻率可降低柵極電荷損耗并提高效率。開關(guān)頻率主要由突發(fā)模式電流限值、電感值和輸出電容決定。給定負載電流時，增加突發(fā)電流限值可以提高每個開關(guān)周期中輸送的能量，相應的開關(guān)頻率會更低。給定突發(fā)電流限值時，較大值的電感比較小值的電感能存更多的能量，開關(guān)頻率也會更低。出于同樣的原因，更大的輸出電容會儲存更多的能量，需要更長的時間來放電。

 

圖12. 低 IQ  LT8650S 能維持非常高的輕載效率以支持永遠在線應用，而不 會大幅消耗電池電量

 

圖12顯示了超低IQ同步降壓型穩(wěn)壓器LT8650S用在一個高效率、寬輸入電壓和負載電流范圍的應用中。利用集成MOSFET，此器件可在3.3V或5V的固定輸出電壓下提供高達8A的總輸出電流。盡管整體設(shè)計和布局已經(jīng)很簡單，但該轉(zhuǎn)換器還包含了可用于優(yōu)化電池供電系統(tǒng)特定應用性能的其它選項。

 

表1列出了適用于汽車市場的低IQ單片穩(wěn)壓器，其輸入電壓最高可達42V或65V。得益于ADI開發(fā)的低IQ技術(shù)，這些器件的典型靜態(tài)電流僅為2.5μA。最短導通時間為35ns，在開關(guān)頻率為2MHz 時，這些穩(wěn)壓器可從42V輸入提供3.3V輸出電壓，這樣的應用在汽車行業(yè)很常見。

Silent Switcher產(chǎn)品組合使EMI設(shè)計不再復雜

 

汽車應用要求系統(tǒng)不產(chǎn)生可能干擾其他汽車系統(tǒng)正常運行的電磁噪聲。例如，開關(guān)電源是高效率電源轉(zhuǎn)換器，但會產(chǎn)生不受歡迎的可能影響其他系統(tǒng)的高頻信號。開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲發(fā)生在開關(guān)頻率及其諧波處。

 

紋波是輸出和輸入電容上出現(xiàn)的噪聲分量。低ESR和ESL電容以及低通LC濾波器可以減小紋波。功率MOSFET快速開關(guān)引起的更高頻率噪聲分量要難以處理得多。由于設(shè)計專注于小尺寸解決方案和高效率，開關(guān)工作頻率現(xiàn)已推高到2MHz，以減小無源元件尺寸并避免可聽頻段。此外，通過降低開關(guān)損耗和占空比損耗，開關(guān)轉(zhuǎn)換時間已縮短到納秒級以提高效率。

 

封裝和PCB布局中的寄生電容和電感對噪聲分布起著重要作用，如果存在噪聲，則很難將其消除。開關(guān)噪聲覆蓋從幾十MHz到超過GHz的范圍，導致EMI預防變得非常復雜。受此類噪聲影響的傳感器和其他儀器可能會運行不正常，引起可聞噪聲或嚴重的系統(tǒng)故障。因此，人們建立了嚴格的標準來管制EMI。最常用的標準是CISPR25Class5，它詳細說明了150kHz至1GHz頻率下的可接受限值。

 

要在大電流下達到EMI要求，通常會涉及復雜的設(shè)計和測試程序，包括在解決方案的尺寸、總效率、可靠性和復雜性等眾多方面進行權(quán)衡。傳統(tǒng)方法通過減慢開關(guān)邊沿或降低開關(guān)頻率來控制EMI，由此帶來的弊端是效率降低，最小開關(guān)時間增加，解決方案尺寸增大。替代緩解方案包含龐大復雜的EMI濾波器、緩沖器或金屬屏蔽，這會顯著增加電路板空間、元件和裝配方面的成本，并使熱管理和測試復雜化。

 

我們的Silent Switcher技術(shù)以創(chuàng)新方式解決了EMI問題，使高頻、高功率電源中實現(xiàn)出色的EMI性能。第二代Silent Switcher2器件通過將熱環(huán)路電容集成到封裝中，簡化了電路板設(shè)計和制造。對于42V/4A LT8650S之類的降壓型穩(wěn)壓器，熱環(huán)路包括一個輸入電容以及頂部和底部開關(guān)。其他噪聲環(huán)路包括柵極驅(qū)動電路和升壓電容充電電路。在Silent Switcher2器件中，熱環(huán)路和溫環(huán)路電容集成在封裝中，并以最小化EMI的方式布局。這就降低了最終電路板布局對EMI的影響，簡化了設(shè)計和制造。使用這些器件中集成的可選展頻特性，可以進一步降低峰值EMI，使其更容易符合嚴格的EMI標準。

 

圖 13. LT8672 和 LT8650S 配置用于高輸出電

 

圖13展示了一種低IQ,低噪聲解決方案，支持汽車I/O和外設(shè)的高電流應用。前端的LT8672保護電路免受電池反向故障和高頻交流紋波的影響，正向壓降只有幾十mV。LT8650S的開關(guān)頻率為400kHz，輸入范圍為3V至40V，兩個通道并聯(lián)工作時輸出能力為8A。兩個去耦電容靠近LT8650S的輸入引腳放置。由于采用 Silent Switcher2技術(shù)，即使沒有安裝EMI濾波器，高頻EMI性能也十分出色。該系統(tǒng)符合CISPR25Class5峰值和均值的限值要求，而且裕量很大。圖14顯示了在30MHz至1GHz范圍內(nèi)的垂直極化的輻射EMI均值測試結(jié)果。完整解決方案具有原理圖簡單、總元件數(shù)非常少、尺寸緊湊等特點，而且EMI性能不受電路板布局變化的影響(圖15)。

 

圖 14. LT8672 和 LT8650S EMI 性能：30 MHz 至 1 GHz

 

圖 15. 完整電源解決方案，從汽車電池獲得 3.3 V 和 5 V 輸出

 

結(jié)論

 

汽車應用需要低成本、高性能、可靠的電源解決方案。惡劣的引擎蓋下環(huán)境要求電源設(shè)計人員提出穩(wěn)健的解決方案，考慮各種潛在的破壞性電氣和熱事件。連接到12 V電池的電子板必須精心設(shè)計，實現(xiàn)高可靠性、小尺寸解決方案和高性能。ADI Power 器件目錄包含專門針對汽車要求的創(chuàng)新解決方案：超低靜態(tài)電流、超低噪聲、低EMI、高效率、寬運行范圍、小尺寸和寬溫度范圍。通過消除復雜性并提高性能，ADI Power解決方案可縮短電源設(shè)計時間，降低解決方案成本，并加快產(chǎn)品上市時間。

 

 

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