高频汽车电源设计

　　概述

　　对于电源系统设计人员来说，电路密度的提高既是挑战也是机会。多数汽车电子模块要求低压供电，如5V、3.3V。如果通过线性降压方案将电池电压转换成所需电压，会消耗过多的能量。过多的功率耗散则会提高温度管理系统的设计难度和成本，随着处理器和ASIC工作速度的提升，需要消耗更大功率，这就要求使用结构复杂的高效开关转换器取代简单的低成本、低效率线性电源。

　　开关转换器的优势

　　工作在高开关频率的电源允许选用小尺寸有源元件，如电感、电容，由此可见，开关电路的尺寸取决于电源工作频率。一个高效转换器不仅能够降低功耗，还可以节省空间和昂贵的散热器。因此，使用开关转换器可以使电源模块的总尺寸减小。考虑到这些优点，开关转换器成为车身控制、信息系统、引擎控制电路的理想电源管理方案。

　　开关转换器的选择

　　开关频率对于开关转换器设计非常重要，因为开关电源的很多问题都与工作频率有关。开关频率和它的高次谐波会对其他电路产生电磁干扰，例如，一个调幅收音机对于530kHz到1710kHz的干扰非常敏感。开关频率超过1710kHz时才能消除基波和高次谐波的干扰。测试数据显示，中等电压、高频处理器配合简单的保护电路，正如Maxim产品所采用的架构，可以提供完美的汽车电源管理方案。所以，设计人员不需要高压控制方案即可设计合理的开关转换器。

　　随着开关频率的增加，电路的能量损耗会增大，这在一定程度上削弱了高频工作的优势。因为开关的损耗与工作电压的平方成正比，在高输入电压下开关损耗会更高。典型的汽车电源管理IC需要支持较高电压(40V或更高)，以承受甩负载和瞬态过压。处理高压则需较大的芯片尺寸和较厚的栅极，对应的沟道尺寸较长，造成较长的传输延时。这样，固有的低速处理过程也降低了转换效率，因为开关切换时较长的上升/下降时间会引起较大的开关损耗。

　　Maxim采用先进的处理工艺提高了转换器的开关效率，为中等电压提供出色的高速转换设计方案。以MAX5073为例，它有2路工作在2.2MHz开关频率的升/降压转换控制器，支持23V输入。转换器异相工作使其能够工作在4.4MHz频率下，并保持较高的转换效率。

　　假设开关转换器能够抑制电源干扰，需要考虑的另一个问题是：汽车应用是否真的需要高压工作IC？下面我们通过讨论汽车电源的

　　干扰以及对低压电路的保护措施回答上述问题。

　　电源的过压条件

　　过压保护(OV)器件能够隔离汽车电子系统中连线(通常连接到主电源)所产生的高压传导，有效保护电子电路。对传导干扰的承受能力称为传导抑制。

　　汽车制造商和标准组织定义了各种测试方法来评估电路的传导抑制，汽车OEM厂商的要求大多出自ISO7637标准。以下归纳了与汽车电子应用相关的过压保护问题，但并未全面概括所有与传导干扰相关的细节。

　　稳态过压保护

　　持续时间较长的过压条件被看作稳态过压，例如，过压持续时间超过了对应器件的热时间常数。这种情况下，连续的功率耗散引起温度快速上升成为首要问题，稳态过压通常包括以下几种情况：失效的交流电机调节器、双电池突发启动或和电池反接，以下是各项详细说明。

　　失效交流电机调节，调节交流电机的输出，通过控制励磁绕组的电流幅度调整速度、负荷及温度。调节过程通常由电路(电压调节器)完成，利用脉宽调制(PWM)电机的励磁绕组保持稳定的电机输出。电压调节器的典型输出设置为13.5V。然而，电压调节器会出现失效，无论负载或输出电压处于何种条件，都将作用一个满量程励磁电流。

　　发生失效时，整个系统都要承受高于13.5V (实际电压取决于汽车速度、负荷极其他条件)的电压，典型的调节器失效OEM测试要求是在18V持续一个小时。大部分系统要求符合这个测试条件，虽然有些舒适度和便利功能允许在这种情况下偏离其正常工作状态。

　　双电池突发启动，这是另外一种稳态过压条件，一般发生在拖车或维修人员使用24V电原发动不工作的汽车，或对完全放电的电池进行充电的情况下，对于这种情况，典型的 OEM测试要求是在24V下持续2分钟。有些与安全、引擎管理相关的系统需要保证在这种条件下能够工作。

　　电池反接，在生产和维修过程中可能会出现电池反接情况，这时，要求大多数系统可以不工作，但一定要保证不会损坏。典型测试要求是在-14V下持续一分钟，这个测试对系统来说是个挑战，因为需要大电流或低压降。

　　瞬态过压保护

　　汽车系统中，大多数过压条件都是由感性负载的开关操作引起的瞬态过压，这类负载包括启动电机、燃油泵、车窗电机、继电器线圈、螺线管、点火器件和分布电感等。任何感性负载上的脉冲电流都会产生过压脉冲。根据幅度、持续时间的要求，可以选择滤波器、金属氧化物可变电阻、瞬态电压抑制器等抑制这类瞬态过压。图1至图4说明了I SO7637对过压抑制的要求，表1是对ISO7637规定的总结。