用于車輛跟蹤系統(tǒng)的集成電源解決方案

作者：ADI公司 Celso Aron、Dominic Clavillas、Jardine Penaflor 時(shí)間：2021-05-13 來(lái)源：電子產(chǎn)品世界

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本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202105/425504.htm

簡(jiǎn)介

車輛跟蹤系統(tǒng)(VTS)通常安裝在汽車和卡車中。VTS使用全球定位系統(tǒng)(GPS)等技術(shù)提供有關(guān)車輛的速度、位置和方向的實(shí)時(shí)信息。

要確保VTS可靠工作，需要配備穩(wěn)健的DC-DC電源。電源的設(shè)計(jì)必須能夠防止系統(tǒng)出現(xiàn)常見(jiàn)的汽車故障，如負(fù)載突降、冷啟動(dòng)、反極性以及ISO 7637-2和ISO 16750-2中描述的其他具有破壞性的潛在瞬變。

此外，如果車輛掉電，系統(tǒng)必須能夠切換至備用電池以確保持續(xù)運(yùn)行。最后，汽車電源必須符合汽車電磁干擾(EMI)標(biāo)準(zhǔn)，特別是CISPR 25的要求。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，ADI公司開(kāi)發(fā)了EVAL-ADVTS4152-EBZ電源解決方案，這是一款適用于車輛跟蹤系統(tǒng)的高性能、簡(jiǎn)化電源解決方案。

圖1 EVAL-ADVTS4152-EBZ電源解決方案評(píng)估板

集成解決方案

EVAL-ADVTS4152-EBZ電源解決方案集成三個(gè)主模塊：LT4356-1浪涌抑制器、高效LT8609A降壓穩(wěn)壓器和LTC4040電池備用電源管理器。這三個(gè)模塊相互配合，向VTS等下游電子設(shè)備提供可靠高效的電源。

EVAL-ADVTS4152-EBZ與標(biāo)稱12 V或24 V系統(tǒng)兼容，旨在提供輸出5 V、3 A連續(xù)電流。當(dāng)汽車電池掉電時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)從單節(jié)鋰離子電池(Li-Ion)或磷酸鋰鐵(LiFePO4)電池切換到備用電源。

圖2 EVAL-ADVTS4152-EBZ功能框圖

表1 EVAL-ADVTS4152-EBZ電氣規(guī)格

參數(shù)	測(cè)試條件/注釋	最小值	典型值	最大值	單位
輸入
工作范圍	適合12 V和24 V電源系統(tǒng)
	主電源	6.5	12或24	38	V
	電池	2.7		5	V
正浪涌保護(hù)				200	V
反向保護(hù)		-40			V
輸出
電壓		4.5		5.5	V
紋波	輸出 = 5 V、2 A
	主電源12 V（降壓模式）		3.842		mV
	電池3.6 V（升壓模式）		9.522		mV
電流				3	A
備用電池
工作范圍		2.7		5	V
可選充電電壓	鋰離子		3.95、4.0、4.05或4.1		V
	LiFePO4		3.45、3.5、3.55或3.6		V

浪涌抑制器

要設(shè)計(jì)一款能夠應(yīng)對(duì)高壓瞬變的汽車電源極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樾枰@樣一款器件，既能耗散多余電力，同時(shí)不會(huì)損壞敏感的電子器件。EVAL-ADVTS4152-EBZ電源解決方案中的LT4356-1浪涌抑制器就可以保護(hù)系統(tǒng)免受高壓瞬變的影響，在高壓瞬變期間仍可持續(xù)運(yùn)行。

LT4356-1驅(qū)動(dòng)一個(gè)作為調(diào)整管的外部N溝道、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)（參見(jiàn)圖3）。在正常工作模式下，LT4356-1使MOSFET完全開(kāi)啟，并提供從輸入到下游負(fù)載的低阻抗路徑。如果輸入電壓浪涌過(guò)高，LT4356-1就會(huì)控制MOSFET的柵極，并將輸出電壓調(diào)節(jié)至由OUT引腳到地之間的R33和R34電阻分壓器設(shè)定的安全電壓電平。MOSFET保持開(kāi)啟狀態(tài)，直到接地的TMR引腳處連接的電容電荷(CTMR)達(dá)到1.35 V。此時(shí)，GATE引腳拉低，使MOSFET關(guān)閉。

負(fù)載突降

負(fù)載突降是高壓瞬變的一個(gè)示例。當(dāng)交流發(fā)電機(jī)在汽車電池充電期間與電池?cái)嚅_(kāi)連接，造成電壓浪涌時(shí)，就會(huì)發(fā)生負(fù)載突降。EVAL-ADVTS4152-EBZ使用LT4356-1浪涌抑制器保護(hù)敏感的汽車電子部件，可避免這種瞬態(tài)情況的影響。

測(cè)試設(shè)置

我們使用DC1950A負(fù)載突降生成器生成負(fù)載突降測(cè)試脈沖，并通過(guò)EVAL-ADVTS4152-EBZ輸入傳送。然后在EVAL-ADVTS4152-EBZ的輸出施加一個(gè)1 A恒流負(fù)載。圖4顯示負(fù)載突降測(cè)試設(shè)置。

圖3 LT4356-1浪涌抑制器

圖4 負(fù)載突降測(cè)試設(shè)置

如圖5所示，實(shí)際浪涌波形顯示在通道2 (C2)，浪涌電壓為105.6 V，衰減約400 ms。輸出電壓保持在5 V，顯示在通道 3 (C3)，表示電源未中斷。在圖5中，LT4356-1響應(yīng)也顯示在通道1 (C1)。波形中的平坦區(qū)域表明芯片正在將電壓調(diào)節(jié)到所需的38 V鉗位電壓（見(jiàn)圖5）。

圖5 EVAL-ADVTS4152-EBZ在高瞬態(tài)電壓下的響應(yīng)

降壓穩(wěn)壓器

將LT4356-1的輸出連接到LT8609A高效率降壓穩(wěn)壓器的輸入（見(jiàn)圖6）。LT8609A具有3.0 V~42 V的寬輸入范圍。RT和地之間連接一個(gè)電阻，用于設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率。用戶通過(guò)SYNC引腳使能擴(kuò)頻調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)低EMI運(yùn)行。

電池備用電源管理器

為確保VTS連續(xù)工作，還必須提供一個(gè)備用電源，在汽車電池掉電時(shí)供電。EVAL-ADVTS4152-EBZ有一個(gè)LTC4040高電流、升壓DC-DC穩(wěn)壓器，通過(guò)單節(jié)鋰離子電池或LiFePO4電池提供備份電源（見(jiàn)圖7）。

當(dāng)LT4356-1的輸出降至1.2 V電源失效輸入(PFI)閾值以下時(shí)，2.5 A升壓穩(wěn)壓器通過(guò)備用電池向下游負(fù)載供電。

圖6 LT8609A降壓穩(wěn)壓器

圖7 LTC4040電池備用電源管理器

正常模式到備用電池模式

為了仿真掉電情況，斷開(kāi)EVAL-ADVTS4152-EBZ輸入端的電源，查看從正常工作模式到備用電池模式的過(guò)渡波形。圖9顯示了測(cè)試設(shè)置。該仿真測(cè)試還顯示了EVAL-ADVTS4152-EBZ如何在冷啟動(dòng)等欠壓瞬變情況下繼續(xù)運(yùn)行。

在圖8中，標(biāo)稱12 V輸入顯示在通道1 (C1)。通道3 (C3)中顯示的系統(tǒng)輸出表明，當(dāng)12 V輸入下降時(shí)，5 V輸出未中斷。此結(jié)果也表明在冷啟動(dòng)瞬變情況下，EVAL-ADVTS4152-EBZ仍可連續(xù)運(yùn)行。

圖8 EVAL-ADVTS4152-EBZ在掉電情況下的響應(yīng)（V_IN = 12 V和V_OUT = 5 V）

選擇電池充電電壓

當(dāng)汽車電池電源可用時(shí)，升壓穩(wěn)壓器將作為降壓電池充電器反向運(yùn)行。充電電壓可根據(jù)電池類型通過(guò)用戶可選引腳配置。LTC4040為兩種化學(xué)電池（鋰離子電池和LiFePO4）各提供四種不同的充電電壓選項(xiàng)，這些選項(xiàng)可通過(guò)S1、S2和S3滑動(dòng)開(kāi)關(guān)輸入進(jìn)行選擇。表2顯示了為兩種電池選擇充電電壓的開(kāi)關(guān)配置。

圖9 掉電情況仿真測(cè)試設(shè)置

表2 備用電池的充電電壓設(shè)置

電池類型	開(kāi)關(guān)設(shè)置	最小值	典型值	最大值	單位
電池調(diào)節(jié)輸出電壓
用于LiFePO4選項(xiàng)	S1 = 0, S2 = 0, S3 = 0	3.42	3.45	3.48	V
	S1 = 0, S2 = 1, S3 = 0	3.47	3.50	3.53	V
	S1 = 0, S2 = 0, S3 = 1	3.52	3.55	3.58	V
	S1 = 0, S2 = 1, S3 = 1	3.57	3.60	3.63	V
用于鋰離子電池選項(xiàng)	S1 = 1, S2 = 0, S3 = 0	3.92	3.95	3.98	V
	S1 = 1, S2 = 1, S3 = 0	3.97	4.00	4.03	V
	S1 = 1, S2 = 0, S3 = 1	4.02	4.05	4.08	V
	S1 = 1, S2 = 1, S3 = 1	4.07	4.10	4.13	V

熱關(guān)斷配置

如果需要防止異常高的直流電壓，EVAL-ADVTS4152-EBZ還有一個(gè)可選的ADT6401引腳可選溫度開(kāi)關(guān)，可用于提供過(guò)溫保護(hù)。有關(guān)基準(zhǔn)電壓源的詳情，請(qǐng)參見(jiàn)EVAL-ADVTS4152-EBZ, UG-1916中的ADT6401原理圖。

預(yù)合規(guī)測(cè)試

ISO 7637-2:2011和ISO 16750-2:2012標(biāo)準(zhǔn)

ISO 7637-2:2011和ISO 16750-2:2012標(biāo)準(zhǔn)描述了可能的瞬變情況并指定了瞬變仿真測(cè)試方法。需要滿足的測(cè)試要求如圖10所示，供參考。

圖10 ISO 7637-2和ISO 16750-2測(cè)試要求

CISPR 25電磁輻射和傳導(dǎo)輻射

CISPR 25是一項(xiàng)汽車標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)車載接收機(jī)規(guī)定了防電磁輻射和傳導(dǎo)輻射保護(hù)要求。圖11和圖12顯示了EVAL-ADVTS4152-EBZ的輻射EMI性能。圖13和圖14顯示了傳導(dǎo)EMI性能。圖11至圖14中的紅線表示CISPR25 5類電磁輻射和傳導(dǎo)輻射峰值限值。