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適用于交通運輸系統(tǒng)的創(chuàng)新性電源解決方案

作者: 時間:2017-11-17 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  交通運輸系統(tǒng)需求

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201711/371686.htm

  交通運輸系統(tǒng)的輸入電壓可能高達 14V (單電池供電汽車)、28V (雙電池供電卡車、客車和飛機)、或更高電壓,而其數(shù)字系統(tǒng)需要一個或更多個低壓軌。因此,設(shè)計這類系統(tǒng)時,需要了解怎樣才能簡便、高效和可靠地從很高的輸入電壓降壓。以下圖 1 顯示,汽車環(huán)境中的輸入電壓可能視其運行狀態(tài)的改變而改變,而其運行狀態(tài)可能包括負載突降變化到冷車發(fā)動的各種情況,甚至出現(xiàn)電池反向連接。

  圖 1:典型的汽車瞬態(tài)情況

  NOMINAL 14V:標(biāo)稱 14V

  120V LOAD DUMP:120V 負載突降

  6V CRANK:6V 冷車發(fā)動

  85V NOISE:85V 噪聲

  24V JUMP START:24V 猛然起動

  REVERSE BATTERY:電池反向連接

  當(dāng)應(yīng)用要求以非常高的效率進行電源轉(zhuǎn)換,以最大限度減少轉(zhuǎn)換過程中由功率損耗導(dǎo)致的熱量時,采用開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案是有幫助的。開關(guān)穩(wěn)壓器本質(zhì)上是單片器件,片內(nèi)集成了 MOSFET,采用了同步或非同步配置?;蛘撸_關(guān)穩(wěn)壓器也可以由一個開關(guān)控制器組成,該控制器驅(qū)動采用單級或多級拓撲 (多相) 的外部 MOSFET,以提供數(shù)十安培至數(shù)百安培級的功率。為了滿足如此大的功率范圍要求,公司提供了廣泛的開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案,以使用戶能夠按照最終系統(tǒng)所需的特定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),選擇最適用的器件。相應(yīng)地,我們的開關(guān)穩(wěn)壓器有非常寬的輸入電壓范圍 (從 5V 直至 150V),輸出功率級從數(shù)百毫安直至高于 1,000A。

  這種開關(guān)穩(wěn)壓器的一個例子是 LTC3895,該器件是一個具有 150V 輸入的同步降壓型轉(zhuǎn)換器,可配置為多相運行,如圖 2 所示。

  圖 2:LTC3895 原理圖以及效率隨功率損耗變化的曲線

  VOUT FOLLOWS VIN WHEN VIN < 12V:VIN < 12V 時,VOUT 跟隨 VIN

  EFFICIENCY:效率

  POWER LOSS:功率損耗

  LOAD CURRENT:負載電流

  在任何交通運輸系統(tǒng)中都有一個常見問題:怎樣才能在不影響性能和轉(zhuǎn)換效率的前提下,獲得高降壓比和占板面積緊湊的解決方案? 直到不久前,依然沒有一款解決方案能夠在不犧牲其他性能的情況下達到所有關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)。不過,隨著公司單片、2MHz 以上、同步降壓型轉(zhuǎn)換器 LT86xx 系列的推出,所有必要的性能標(biāo)準(zhǔn)都可以立即得到滿足了。

  一個很好的例子是 LT8609,這是一款 2A、42V 輸入同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器。獨特的同步整流拓撲提供 93% 的效率,而以 2MHz 頻率切換使設(shè)計師能夠避開關(guān)鍵噪聲敏感頻段,例如 AM 無線電,同時可提供占板面積非常緊湊的解決方案。突發(fā)模式 (Burst Mode?) 運行在無負載備用情況下保持靜態(tài)電流低于 2.5μA,從而使該器件非常適合始終保持接通的系統(tǒng)。LT8609 的 3.0V 至 42V 輸入電壓范圍使其非常適合汽車應(yīng)用,這類應(yīng)用必須以低至 3.0V 的最低輸入電壓穩(wěn)定通過冷車發(fā)動和停-啟情況,并穩(wěn)定通過超過 40V 的負載瞬態(tài)。其內(nèi)部 3.5A 開關(guān)可在峰值負載電流為 3A 時,提供高達 2A 的連續(xù)輸出電流。原理圖和相應(yīng)于 2MHz 切換頻率的效率曲線如圖 3 所示。

  圖 3:LT8609 原理圖和效率曲線

  由于在單電池或雙電池供電車輛中,冷車發(fā)動和負載突降情況很常見,所以很多交通運輸系統(tǒng)都提供很寬的輸入電壓范圍。而且使情況更加復(fù)雜的是,所需輸出電壓有可能超出這種已經(jīng)很寬的輸入電壓范圍。因此,系統(tǒng)設(shè)計師面臨的復(fù)雜問題是,無論輸入電壓是高于、低于還是等于輸出電壓,所設(shè)計的解決方案都必須允許固定輸出。

  解決這種問題的常見方法是采用 SEPIC 拓撲轉(zhuǎn)換器。不過這種轉(zhuǎn)換器的設(shè)計很復(fù)雜,需要兩個電感器,而且通??臻g利用率和轉(zhuǎn)換效率都不高。因此,公司設(shè)計了廣泛的 4 開關(guān)降壓-升壓型控制器,這些控制器不僅簡化了設(shè)計,還提供很高的空間利用率和轉(zhuǎn)換效率,功率損耗在 5% 至 7% 之間 (視輸入至輸出電壓范圍而定)。圖 4 所示 LT8705 是一個 4V 至 80V 輸入的降壓-升壓型控制器例子,該器件提供車輛環(huán)境中常見的一個固定 12V 輸出。

  圖 4:詳細的 LT8705 原理圖,從 4V 至 80V 輸入提供固定 12V 輸出

  INCREASED VOUT RIPPLE FOR VIN > 60V:VIN > 60V 時,VOUT 紋波增大

  解決汽車冷車發(fā)動問題的另一種方法是,采用升壓型轉(zhuǎn)換器,后面再跟一個降壓型轉(zhuǎn)換器。在這種拓撲中,從單電池提供的升壓型轉(zhuǎn)換器之輸出設(shè)定為比電池的標(biāo)稱電壓高出幾伏,然后再用一個降壓型轉(zhuǎn)換器對其降壓,使其達到下游電子組件所需的工作電壓。盡管這種方法需要兩個轉(zhuǎn)換器,但是ADI公司已經(jīng)開發(fā)出一款整合了升壓型控制器和降壓型控制器的器件,兩個控制器既可獨立使用,又可作為升壓-降壓跟隨器使用。圖 5 中用LTC7813 說明這種器件的工作原理。

  圖 5:LTC7813 原理圖 ~~ 一個級聯(lián)的升壓及降壓型單輸出控制器 IC

  8V TO 60V DOWN TO 2.2V AFTER START-UP:8V 至 60V,啟動后降至 2.2V

  低噪聲電源管理

  電磁輻射 (EMR)、電磁干擾 (EMI) 和電磁兼容 (EMC) 這些術(shù)語與帶電粒子及有關(guān)磁場的能量有關(guān),這種能量有可能影響電路性能和干擾信號傳輸。隨著無線通信的普及、大量通信設(shè)備的涌現(xiàn)以及通信方法日益增多、占用越來越多的頻譜 (有些頻段是相互重疊的),電磁干擾已經(jīng)成為揮之不去的事實。為了減輕電磁干擾的影響,很多政府機構(gòu)和監(jiān)管機構(gòu)都設(shè)定了通信設(shè)備及儀器儀表的電磁輻射限度。

  因此,很顯然的是,低輻射是很多汽車和交通運輸設(shè)備制造商的關(guān)鍵要求。系統(tǒng)設(shè)計師怎樣才能滿足汽車 CISPR 25、Class 5 (圖 6 所示) 的嚴格要求,同時仍然保持高效率和很小的解決方案尺寸呢?

  圖 6a:LT8614 的輻射值遠低于 CISPR25、Class 5 限制

  AMPLITUDE:幅度

  VERTICAL POLARIZATION:垂直極化

  PEAK DETECTOR:峰值檢測器

  CLASS 5 PEAK LIMIT:Class 5 峰值限制

  FIXED FREQUENCY MODE:固定頻率模式

  SPREAD SPECTRUM MODE:擴展頻譜模式

  FREQUENCY:頻率

  圖 6b:采用 Silent Switcher 拓撲的 LT8614

  一種答案也許是采用ADI的 Silent Switcher? 系列器件。以 LT8614 為例,這是一款42V 輸入、4A 輸出、單片降壓型轉(zhuǎn)換器,以高于 2MHz 的開關(guān)頻率和 94% 的轉(zhuǎn)換效率切換,由于其很短的 30ns 最短接通時間,因此可滿足 16V 輸入至 1.8V 輸出降壓比。此外,由于采用了已獲專利的 Silent Switcher 技術(shù),所以該器件可超越 CISPR 25 和 CISPR 22 Class B輻射要求,如圖 7 所示。

  圖 7:LT8614 滿足 CISPR 22 和 CISPR 25 要求

  NOISE FLOOR:噪聲層

  FREQUENCY:頻率

  RADIATED NOISE LEVEL:輻射噪聲值

  CISPR 22 RADIATED CLASS B LIMITS:CISPR 22 Class B 輻射限制

  低靜態(tài)電流也是關(guān)鍵要求

  在交通運輸電子系統(tǒng)中,有很多應(yīng)用要求連續(xù)供電,甚至在車輛已經(jīng)停泊后,例如遙控?zé)o鑰匙進入、安防甚至個人信息娛樂系統(tǒng),這類應(yīng)用通常還包括導(dǎo)航、GPS 定位和緊急呼叫系統(tǒng)。也許難以理解,為什么這些系統(tǒng)甚至在車輛未行使時也必須保持接通,不過可以理解的是,為了應(yīng)對緊急情況和保證安全,GPS 系統(tǒng)必須“始終保持接通”。這種要求很有必要,以便在需要時通過外部操作運用基本控制功能。

  這類應(yīng)用的一個關(guān)鍵要求是低靜態(tài)電流,以延長電池壽命。自 2010 年以來,ADI一直在生產(chǎn)備用靜態(tài)電流低于 10mA 的開關(guān)穩(wěn)壓器,我們最近推出的一些較新產(chǎn)品的備用靜態(tài)電流已經(jīng)低于 2mA 了。因此,這些產(chǎn)品已經(jīng)為應(yīng)用于很多汽車電子系統(tǒng)做好了充分準(zhǔn)備。

  結(jié)論

  ADI公司提供了豐富的開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品,這些產(chǎn)品滿足對開關(guān)穩(wěn)壓器的所有要求,而且這些產(chǎn)品的特性非常適合多種交通運輸系統(tǒng),其特性包括:

  很寬的輸入電壓范圍:2.xV 至 150V

  在備用模式具低靜態(tài)電流:典型情況下低于 10mA

  最低限度的輸出噪聲和很低的 EMI / EMC 輻射

  擴展的溫度范圍:在 150°C 環(huán)境溫度和結(jié)溫時保證運行

  高效率:滿負載時高達 97%,輕負載情況下高達 80%

  低熱阻封裝:低至 10°C/W (qjc)

  以高降壓比、高開關(guān)頻率運行:高達 4MHz

  高電流密度:采用 3mm x 5mm MSOP 封裝,提供高達 5A 連續(xù)輸出電流

  行業(yè)領(lǐng)先的 FIT 率:典型情況下低于 0.2



關(guān)鍵詞: ADI LTC3895

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