汽车电子系统如何设计多个电源电压?

2020-10-15 天天科技网 网络整理
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小编结合实际,介绍了在性能要求变得愈加苛刻的条件下,设计多个电源电压以满足汽车电子系统差别部分的要求。汽车环境的宽事情电压要求、大瞬变电压以及大温度漂移等因素配合感化下,电子系统面临着严酷的条件。

目前出产的大大都中高等汽车都配置了基于 DVD 的 GPS 导航系统作为标准设备(图 1)。然而可以证实,如果想设计一个用于控制此类系统内差别电压轨的电源,其庞大水平丝毫不亚于设计条记本电脑用的电源系统。一个标准的汽车导航系统有可能具有 6 个或更多的电源,包孕 8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V 和 1.2V。8V 电源用于给使光盘旋转的 DVD 电机供电;这每每需要高达 2A 的峰值电流。5V 和 3.3V 电源轨凡是为系统总线,一般要求各供给 2A~3A 的电流。2.5V 电源轨用于存储器和 I/O,因此输送 1A~2A 的电流便足够了。1.5V 和 1.2V 电源轨分袂用于供给 CPU 内核和 DSP 内核电压。这两个电源轨的功率电平一般均在 3W~5W 之间。

汽车电子系统如何设计多个电源电压?

图 1:大大都中高等汽车都配置了基于 DVD 的 GPS 导航系统作为标准设备

同时,跟着这些系统中组件数目的增加,可用空间日渐狭小。因此,鉴于所有的实际散热器都很复杂以致于安置未便,出于对空间限制以及事情温度范畴要求的考虑,转换效率的重要性变得越发突出。在低输出电压以及高于几百毫安的中等电流电平条件下,简单地给与一个线性稳压器来生成这些系统电压已不再可行。因此,在过去的几年里,主要由于散热方面的限制,开关稳压器一直在逐步代替线性稳压器。开关电源的长处包孕较高的效率和较小的占位面积,这使得庞大度的增加以及 EMI 问题变得不那么重要。

如果考虑汽车导航系统中的开关稳压器限制条件,则其将需要拥有下列特点和特性:

宽输入事情范畴

在一个宽负载范畴内具有良好的效率

在正常操纵、待机和停机状态下具有低静态电流

低热阻

最低的噪声和 EMI 辐射

让我们较详细地研究一下这些根基能力:

1. 宽输入事情范畴

任何开关稳压器都需要被规定在一个 3V~60V 的宽输入电压范畴内事情,以确保可满足“冷车策动” 和“负载突降” 的条件。它还具有使这些汽车系统能够在 14V 或 42V 电压条件下运行的特别长处。而且,60V 的额定电压还为凡是被箝位于 36V~40V 的 14V 系统供给了一个良好的裕度。此外,60V 的额定电压还使得该器件能够应用于未来的 42V 系统。这就意味着一款现今为 14V 系统所做的设计可以针对 42V 系统的要求垂手可得地升级,而无需进行任何重大的从头设计事情。

2. 效率

在大大都汽车系统中,在一个宽负载范畴内实现高效功率转换是必不成少的。例如,在 10mA 至 2.5A 的负载范畴内,一个 5V 输出的功率转换效率被要求到达 85% 摆布。在高电流条件下,内部开关需要具有良好的饱和,凡是在 3A 电流时为 0.1Ω。为了改进轻负载效率,需减小驱动电流或使其与负载电流成比例。而且,用于内部控制电路的功率可以通过一个偏置引脚来供给,该偏置引脚可由输出来供电。这得益于一个降压型转换器的功率转换效率。由于该偏置电流吸收自输出(而不是输入),因而使得控制电路所需的输入电源电流有所减小,降幅为输出与输入电压之比。例如,一个于 3.3V 时的 100μA 输出电流只要求于 12V 时的 30μA 平均输入电流。这最大限度地减小了控制电路所需的输入电流,并且提高了轻负载时的效率程度。

汽车电子系统如何设计多个电源电压?

表 1:高电压、低静态电流降压型 DC/DC 转换器

3. 低静态电流

汽车系统中有许多应用即使是在车辆处于停驶状态下也要求持续供电。这些应用的一个关键要求就是低静态电流。在输出电流降至约莫 100mA 以下之前,该器件将运行于正常的持续开关模式。在该电流电平以下,开关稳压器必需跳过若干脉冲以便维持稳压状态。该稳压器可在脉冲之间进入睡眠模式,此时仅对部分内部电路供电。在轻负载电流条件下,开关稳压器需要自动切换至突发模式操纵。在该模式中,对付一个 12V 至 3.3V 转换器,静态电流应降至 100μA 以下。在睡眠模式中,内部基准和电源良好电路将连结运行状态,以便监视输出电压。在停机模式中,静态电流应低于 1μA。

4. 低热阻

抱负的情况是,结点至外壳热阻应该很低。如果器件的背部为裸露铜面并被焊接至 PC 板的外貌,则 PC 板可被用来将热量传导至远离器件的处所。目前常用具有内部电源平面的四层电路板能够实现约 40℃/W 的热阻。具有至金属外壳良好热传导的高环境温度应用可获得接近 10℃/W 的范例结点至外壳热阻值。这有助于扩展事情温度范畴。

5. 关于噪声和 EMI 的考虑