在惡劣條件下，汽車應用電源必須能夠無故障運行——設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LV 124、ISO 7637-2、ISO 17650-2、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3 V到高達42 V——可為內核、 I/O、DDR和外設需要的其他電源軌提供穩(wěn)定電壓。

 

圖 1. ADI 公司滿足汽車電子瞬變抗擾度要求的 Power by Linear 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。低噪聲電源轉換技術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標準的設計和測試周 期。對于許多必須穿越冷啟動事件的關鍵功能，LT8603 多通道低 IQ 降壓型穩(wěn)壓器內置預調節(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)動機驅動交流發(fā)電機。交流發(fā)電機本質上是一個三相發(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12 V電路和設備供電。典型負載包括ECU、燃油泵、制動器、 風扇、空調、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、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轉換器將400 V高壓鋰離子(Li-Ion)電池組電壓轉換為 12 V，而不是交流發(fā)電機。然而，傳統(tǒng)的12 V交流發(fā)電機設備以 及其瞬態(tài)脈沖（包括快速脈沖）仍然存在。

 

發(fā)動機在很窄的轉速范圍內以峰值效率運行，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13.8 V。每個直接由汽車電池供電的電 路必須在9 V至16 V的范圍內可靠運行，但魯棒的汽車電子設計 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，并設定設計的預期目標，出 現(xiàn)了許多汽車標準，例如ISO 7637-2、ISO 16750-2、LV 124、 TL82066。

 

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100 V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35 V——這與常態(tài)相比仍有很大偏 離。拋負載事件最長可持續(xù)400 ms。

 

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 ?？缃訂佑行?，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(28 V)幾分鐘。很多Power by Linear™高壓降壓型穩(wěn)壓器，如 Silent Switcher® 和 Silent Switcher 2 系 列，包括 LT8650S 和 LT8640S （表1），工作電壓最高可達42 V， 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Power by Linear穩(wěn)壓器， 例如LT8645S 和 LT8646S，額定電壓為65 V，支持卡車和飛機應用 （其中24 V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3.2 V或更低并持續(xù)大約 20 ms——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，此類關鍵功能在設計上通常不需要很大的功率。集成解決方案，例如多通道轉換器LT8603，即使其輸入 電壓降至3 V以下也能保持穩(wěn)壓。

 

ISO 7637-2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（+42 V、-40 V）、 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12 V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，驅動MOSFET柵極，將正向電壓調節(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）頻繁切換的結果。根據(jù)汽車規(guī)范 ISO 16750和LV 124，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6 V p-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動能力的結果，柵極驅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損耗。其50 mA拉電流能力支持FET的超快 速導通，使功耗最低；其300 mA灌電流能力支持快速關斷，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，ISO 7632-2中定義的 脈沖3a是峰值電壓超過-220 V的負尖峰，而脈沖3b的最大峰值電 壓為150 V加上電池的初始電壓。雖然它們有很大的內部阻抗和 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 5 V、3.3 V、1.8 V、1.2 V），輸入電壓范圍為5 V至42 V，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3 V（或更低）。

 

LV 124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3.2 V并持續(xù)19 ms。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2.5 V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3 V電源。

 

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

 

同LT8650S一樣，ADI公司的許多Power by Linear汽車IC的最小額定 輸入電壓為3 V。

 

圖9比較了采用LT8672和采用傳統(tǒng)二極管的1.8 V電源。降壓型穩(wěn) 壓器工作電壓低至3 V。如圖所示，采用傳統(tǒng)二極管時，當電 池電壓 VBATT 降至3.2 V時，降壓穩(wěn)壓器的 VIN降至2.7 V左右，原因是 二極管的高壓降觸發(fā)下游開關穩(wěn)壓器UVLO關斷，其1.8 V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1.8 V輸出。

 

N眾多關鍵功能需要穩(wěn)定的5 V和3.3 V電源軌，以及低于2 V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6 mm×6 mm、 四路輸出、三通道單片降壓轉換器和升壓控制器LT8603。

 

LT8603的集成升壓控制器的工作電壓可低于2 V，是其它三個降 壓型穩(wěn)壓器的理想預調節(jié)器。圖10顯示了針對這些應用的Power by Linear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)壓器由預升壓轉換器供電。當 VBATT 降至8.5 V以下時，升 壓控制器開始切換，輸出(OUT4)被調節(jié)至8 V。一旦啟動，輸出 電壓就會保持穩(wěn)定，而輸入電壓可以低至3 V。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5 V和3.3 V輸 出，如圖11所示。一旦 VBATT 從冷啟動狀況恢復到8.5 V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42 V的 VBATT。低電壓降壓穩(wěn)壓器由OUT2供電，在冷啟動事件中 提供1.2 V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 5 V 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。Power by Linear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（3 V至42 V）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相關的電路都關斷，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損耗的影響，開關損耗與開關頻率和柵極電壓有關。由于接通和關斷MOSFET以及讓內部邏輯保持活動狀態(tài)需要一定的能量，所以降低開關頻率可 降低柵極電荷損耗并提高效率。開關頻率主要由突發(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周期中輸送的能量，相應的開關頻率會更低。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3.3 V或5V 的固定輸出電壓下提供高達8A的總輸出電流。盡管整體設計和布局已經(jīng)很簡單，但該轉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42 V或65 V。得益于 ADI公司開發(fā)的低 IQ 技術，這些器件的典型 靜態(tài)電流僅為2.5μA。最短導通時間為 35 ns，在開關頻率為 2 MHz 時，這些穩(wěn)壓器可從42 V輸入提供3.3 V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，開關電源是高效率電源轉換器，但會產(chǎn)生不受歡迎的可能影響其他系統(tǒng)的高頻信號。開關穩(wěn)壓器噪聲發(fā)生在 開關頻率及其諧波處。

 

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快速開關引起的更高頻率噪聲分量要難以處理得多。由于設計專注于小尺寸解決 方案和高效率，開關工作頻率現(xiàn)已推高到2 MHz，以減小無源元 件尺寸并避免可聽頻段。此外，通過降低開關損耗和占空比損 耗，開關轉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CISPR 25 Class 5，它詳細說明了150 kHz至1 GHz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衡。傳統(tǒng)方法通過減慢開關邊沿或降低開關頻率來 控制EMI，由此帶來的弊端是效率降低，最小開關時間增加，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 Switcher 2器件 通過將熱環(huán)路電容集成到封裝中，簡化了電路板設計和制造。 對于42 V/4 A 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。其他噪聲環(huán)路包括柵極驅動電路和 升壓電容充電電路。在Silent Switcher 2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的開關頻率為 400 kHz，輸入范圍為3 V至40 V，兩個通道并聯(lián)工作時輸出能力 為8 A。兩個去耦電容靠近LT8650S的輸入引腳放置。由于采用 Silent Switcher 2技術，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CISPR 25 Class 5峰值和均值的限值要求， 而且裕量很大。圖14顯示了在30 MHz至1 GHz范圍內的垂直極化 的輻射EMI均值測試結果。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 精心設計，實現(xiàn)高可靠性、小尺寸解決方案和高性能。Power by Linear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，Power by Linear解決方 案可縮短電源設計時間，降低解決方案成本，并加快產(chǎn)品上市 時間。

 

 

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