适用于汽车无线电系统AM和FM波段的低噪声开关电源 开关电源, 无线电, 驱动器, 汽车, 电池

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随着汽车启停技术(引擎空闲时自动关闭)应用的日益广泛，越来越多的汽车系统必须工作在低输入电压。热启动(此时电池电压可下降达6V)和冷启动(此时电池电压可下降达3V)期间，会发生此类低输入电压。本文介绍可承受汽车全输入电压范围(包括冷启动和抛负载条件)的中间电压8V开关电源。电源保证为常见子系统提供稳定的8V电源，例如CD驱动器、LCD，以及现代信息娱乐系统中的无线电模块。为避免AM和FM波段干扰，开关电源工作在2MHz固定频率，成为无线电系统的理想方案。
低输入电压功能的重要性及EMI要求
图1所示为要求不同架构方案的常见汽车系统。
主电源为3.3V的系统中，具有低压差的前端降压转换器就可以满足要求(情形1)。此外，升压转换器可工作在3.3V，能够调节到5V(例如用于CAN总线收发器)或其它更高电压(情形2)。工作在5V或更高电压轨的系统要求前端“预升压”，以确保降压转换器的输入电压不会下降至规定电压以下(情形3)。


图1 汽车电源解决方案
低电磁辐射(EMI)也是对汽车电源的一项关键要求，尤其在敏感的AM波段。这里所介绍设计的开关转换器工作在AM波段以上，即保证频率高于1.71MHz(中波的上段)，满足这一要求，使开关转换器工作在高频还可减小外部无源元件的尺寸和成本。
汽车开关电源的关键设计参数
图2所示为开关电源原理图。该电源包括4.5V至40V升压控制器(IC1)和36V降压控制器(IC2)，以及实现正常工作的附加电路。两片IC与外部2MHz方波逻辑信号同步，该信号由微控制器或专用IC提供。这种方法使得在为电源选择最优开关频率时具有很大灵活性。电池在正常工作期间，禁止IC1、IC2调节器将OUTB节点电压稳定在8V。电池电压在冷启动期间下降时，使能IC1，将OUTA节点的电压升高。这允许IC2将OUTB节点的电压稳定在8V。由于两片IC的高可靠性，整个设计可承受高达40V的汽车抛负载。系统经过配置并测试，其主输出(OUTB)可提供20W功率(8V@2.5A)，修改外部元件后甚至可提供更高输出功率。(参见下文中关于IC1和IC2的最优外部元件的讨论。)


图2 开关电源原理图中包括升压控制器(IC1，MAX15005)和降压控制器(IC2，MAX16952)
外部元件优化IC2性能
输出电压和开关频率
为了在OUTB节点调节8V电压，必须选择正确的反馈电阻分压器(由电阻R22和R21组成)。注意，IC2的数据资料建议低边电阻小于100kΩ。为R22选择51kΩ低边电阻分压器，必须根据式1选择高边电阻分压器：


(式1)
式中，VFB = 1V (典型值)。
为R21选择标准电阻值360kΩ，产生的典型输出电压值为：


(式2)
假设电阻容限为1%，整个开关电源的最小和最大电压值(OUTB)为：


(式3)


(式4)
式中，VFB(MIN)为0.985V，VFB(MAX)为1.015V。
根据数据资料建议，外部频率必须高于IC内部所选频率的110%。由于我们将IC2的开关频率与外部2MHz信号同步，所以我们所选内部振荡器电阻R16必须将内部开关频率设定在低于1.8MHz。出于这一原因，我们为R16选择30kΩ电阻。为使IC2以2MHz固定频率开关，必须避免压差条件。该IC可避免压差，直到关断时间(tOFF)长于100ns(典型值)。这意味着系统的最大占空比不得超过：


(式5)
考虑到降压调节器IC2的效率(Eff)为90%，能够确保2MHz固定频率开关的最小输入电压(OUTA)为：


(式6)
这意味着OUTA电压不得低于11.11V门限。为保证OUTA电压总是高于11.11V，电池电压(IN节点)低于11.5V时，必须使能IC1。这样就为电感L1和肖特基二极管D2上的压降留出了大约390mV的裕量。
40V抛负载尖峰期间，OUTA电压达到其高压值，IC2必须将其输出稳定在8V。所以，抛负载尖峰期间，IC2的占空比应为：


(式7)
器件的最小导通时间(tON)为80ns(典型值)，使其能够达到的最小占空比为：


(式8)
开关频率为2MHz。
最小0.16占空比确保在40V抛负载期间实现8V稳压。
电感和电流检测
如果您通过使用大电感值减小电感尖峰电流，则可提高IC2的效率。然而，实现这点需要更大的印制电路板(PCB)面积，并使负载调整率变差。作为一种可接受的折衷，可选择电感值使LIR(电感峰-峰电流与直流平均电流之比)等于或小于0.3。参考图3考虑下式：


图3 IC2 (MAX16952)的电感电流


(式9)


(式10)


(式11)
将这些公式合并，得到的公式可计算出L值：


(式12)
所以，常规条件下(OUTA = 12V)实现LIR因子等于或小于0.3的最小电感值为：


(式13)
L2采用标准电感2.2µH，得到的LIR因子为0.24，电感峰值电流为：


(式14)
当R20检测电阻上的电压达到68mV(最小值)时，触发限流。为电感容限保留一定裕量，使检测电阻的压降在电感电流达到峰值(IPEAK)时为限流门限的60%，从而确定检测电阻大小：


(式15)
因此，为R20选择标准电阻值15mΩ。
优化IC1的外部元件
UVLO门限
为升压转换器IC1选择外部元件的第一步是确定外部欠压锁定(UVLO)门限，通过选择连接在主输入IN引脚、ON/OFF引脚和地之间的电阻分压器实现。对于该设计，我们在输入电压低于5V时关断器件;假设冷启动阶段具有较高电压。为R5选择100kΩ电阻后，利用式16选择R4电阻值：