適用于惡劣汽車環(huán)境的綜合電源系統(tǒng)設(shè)計

作者：Bin Wu and Zhongming Ye

汽車技術(shù)的進步大大增加了現(xiàn)代汽車的電子含量，以提高安全性，改善駕駛體驗，豐富娛樂功能，并使動力和能源多樣化。我們繼續(xù)投入工程資源來改善汽車市場的電源管理解決方案。這項工作中的許多技術(shù)在電源效率、緊湊性、魯棒性和 EMI 性能方面取得了重大進展。

汽車應用的電源必須在惡劣條件下無故障運行——設(shè)計人員必須考慮所有緊急情況，包括負載突降、冷啟動、電池反極性、雙電池跳躍、尖峰和 LV 124、ISO 7637-2、ISO 17650-2 和 TL82066 中定義的其他瞬變，以及機械振動、噪聲、極寬的溫度范圍、 等。本文重點介紹汽車電源規(guī)格和滿足汽車規(guī)格的解決方案中的關(guān)鍵要求，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，以說明高性能器件的組合如何輕松解決原本難以解決的汽車電源問題。

惡劣的汽車環(huán)境

圖1顯示了滿足汽車應用苛刻要求的完整電源解決方案。在前端，LT8672 充當理想二極管，保護電路免受引擎蓋下的惡劣條件和破壞性故障（如反極性）的影響。理想二極管之后是一系列低靜態(tài)電流（IQ） 降壓穩(wěn)壓器具有寬輸入范圍（工作電壓低至 3 V 和高達 42 V），可為內(nèi)核、I/O、DDR 和外圍設(shè)備所需的其他電源軌提供穩(wěn)壓。

圖1.ADI面向滿足瞬態(tài)抗擾度要求的汽車電子線性電源解決方案概述。

這些穩(wěn)壓器具有超低靜態(tài)電流，可延長始終開啟系統(tǒng)的電池運行時間。低噪聲電源轉(zhuǎn)換技術(shù)最大限度地減少了對昂貴的EMI抑制以及設(shè)計和測試周期的需求，以滿足嚴格的汽車EMI標準。對于許多必須經(jīng)歷冷啟動事件的關(guān)鍵功能，LT8603 多通道低 IQ內(nèi)置預穩(wěn)壓升壓控制器的降壓穩(wěn)壓器可提供具有至少三個穩(wěn)壓軌的緊湊型解決方案。LT8602 可提供許多高級驅(qū)動輔助系統(tǒng) （ADAS） 應用所需的四個穩(wěn)壓電壓軌，例如碰撞警告、緩解和盲點監(jiān)控。

圖2顯示了發(fā)動機驅(qū)動交流發(fā)電機的傳統(tǒng)汽車電氣系統(tǒng)。交流發(fā)電機本質(zhì)上是一個三相發(fā)電機，其交流輸出由全二極管橋整流。該整流器的輸出用于為鉛酸電池充電并為 12 V 電路和設(shè)備供電。典型負載包括ECU、燃油泵、制動器、風扇、空調(diào)、音響系統(tǒng)和照明。越來越多的ADAS被添加到12 V總線中，包括外設(shè)、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現(xiàn)狀。發(fā)動機被電動機取代，其中DC-DC轉(zhuǎn)換器將400 V高壓鋰離子（Li-Ion）電池組轉(zhuǎn)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(shè)備及其瞬態(tài)脈沖（包括快速脈沖）將繼續(xù)存在。

發(fā)動機在狹窄的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)以峰值效率運行，因此交流發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)輸出和電池電壓在大多數(shù)情況下相對穩(wěn)定，例如~13.8 V（更多內(nèi)容見下文）。每個直接由汽車電池供電的電路都必須在9 V至16 V范圍內(nèi)可靠運行，但穩(wěn)健的汽車電子設(shè)計也必須在異常條件下運行，這不可避免地會在最不方便的時間發(fā)生。

雖然交流發(fā)電機的輸出名義上是穩(wěn)定的，但它不夠穩(wěn)定，無法在為車輛的其他系統(tǒng)供電之前避免需要調(diào)節(jié)。不需要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)出現(xiàn)故障或造成永久性損壞。在過去的幾十年中，已經(jīng)制定了許多汽車標準，如ISO 7637-2，ISO 16750-2，LV 124，TL82066，以定義汽車電源將面臨的尖峰和電壓瞬變，并設(shè)定設(shè)計期望。

最關(guān)鍵和最具挑戰(zhàn)性的高壓瞬變之一是負載突降。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。在拋負載瞬態(tài)期間，交流發(fā)電機的勵磁場保持高，因為其時間常數(shù)很大——即使沒有負載，交流發(fā)電機仍然輸出高功率。電池是一個大電容器，通常會吸收額外的能量，但是當由于端子松動或其他問題而斷開連接時，它將無法再提供此服務(wù)。因此，所有其他電子設(shè)備都會看到電壓浪涌，并且必須能夠承受拋負載事件。未抑制的拋負載可能會產(chǎn)生高達100 V的電壓。 值得慶幸的是，現(xiàn)代汽車交流發(fā)電機使用雪崩級整流二極管，將負載突降電壓限制在35 V，這仍然是對標準的重大偏離。負載突降事件最多可以持續(xù) 400 毫秒。

另一個高壓事件是跨接啟動。一些拖車使用兩個串聯(lián)的電池來確保有效的跨接啟動以恢復沒電的汽車電池，因此汽車的電路必須在 28 V 的雙倍標稱電池電壓下存活幾分鐘。許多線性?電源高壓降壓穩(wěn)壓器，如靜音開關(guān)和靜音開關(guān)2系列，包括LT8650S和LT8640S（表1）工作電壓高達42 V ，超過了這一要求。相比之下，較低額定電壓的選項需要箝位電路，從而增加成本并降低效率。某些線性電源穩(wěn)壓器（如LT8645S和LT8646S）的額定電壓為65 V，以適應卡車和飛機應用，其中24 V系統(tǒng)是標準。?

當駕駛員啟動汽車并且啟動器從電池中吸收數(shù)百安培的電流時，會發(fā)生另一個電壓瞬變。這會在短時間內(nèi)降低電池電壓。在傳統(tǒng)汽車中，只有當汽車由駕駛員啟動時，才會發(fā)生這種情況 - 例如，當一個人啟動汽車開車去超市并再次啟動它開車回家時。在具有啟停功能以節(jié)省燃料的現(xiàn)代汽車中，啟停事件可能會在超市行程中多次發(fā)生——在每個停車標志和每個紅燈處。與傳統(tǒng)汽車相比，額外的啟停事件給電池和起動器帶來了更大的壓力。

圖3.LT8672對電池反極性的響應。

此外，如果在寒冷的早晨發(fā)生啟動事件，則啟動器會比較高的環(huán)境溫度消耗更多的電流，將電池拉低至 3.2 V 或更低電壓約 20 毫秒，這稱為冷啟動。有些功能即使在冷啟動條件下也必須保持活動狀態(tài)。好消息是，根據(jù)設(shè)計，這些關(guān)鍵功能通常不需要很大的功率。集成解決方案，如LT8603多通道轉(zhuǎn)換器，即使其輸入降至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。有些具有較高的正電壓或負電壓，但也有較高的源阻抗。與上述事件相比，這些脈沖的能量相對較低，可以通過正確選擇輸入TVS進行濾波或箝位。

滿足汽車抗擾度規(guī)范的理想二極管

有源整流器控制器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)響應速度和超低外部FET壓降控制，可為功耗極低的12 V汽車系統(tǒng)提供保護。

電池反極性

每當電池端子斷開時，汽車電池極性都有可能被錯誤地反轉(zhuǎn)，并且電子系統(tǒng)可能會因電池負電壓而損壞。阻斷二極管通常與電源輸入串聯(lián)，以防止電源反轉(zhuǎn)，但阻斷二極管具有壓降，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二極管替代品，可保護下游系統(tǒng)免受負電壓的影響，如圖 3 所示。

在正常情況下，LT8672 控制一個外部 N 溝道 MOSFET 以形成一個理想的二極管。GATE放大器檢測漏極和源極，并驅(qū)動MOSFET的柵極，將正向電壓調(diào)節(jié)至20 mV。D1在負載階躍和過壓條件下以正方向保護源極。當輸入側(cè)出現(xiàn)負電壓時，當源極變?yōu)樨摃r，柵極被拉至源極，從而關(guān)閉MOSFET并將漏極與負輸入隔離。憑借其快速下拉 （FPD） 功能，LT8672 能夠快速關(guān)斷外部 MOSFET。

圖4.LT8672對反極性的響應波形。

疊加交流電壓

電池軌上的常見干擾是疊加的交流電壓。該交流分量可以是整流交流發(fā)電機輸出的偽影，也可以是大電流負載（如電機、燈泡或PWM控制負載）頻繁切換的結(jié)果。根據(jù)汽車規(guī)范ISO 16750和LV 124，ECU可能會受到疊加在其電源上的交流紋波的影響，頻率高達30 kHz，幅度高達6 V p–p。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反應太慢，但LT8672可產(chǎn)生高達100 kHz的高頻柵極脈沖，以根據(jù)需要控制外部FET，以抑制這些交流紋波。

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組件的獨特能力得益于其快速上拉 （FPU） 和 FPD 控制策略及其強大的柵極驅(qū)動能力，其中柵極驅(qū)動器由一個集成的升壓穩(wěn)壓器供電。與充電泵柵極電源解決方案相比，該升壓穩(wěn)壓器使LT8672能夠保持11 V穩(wěn)壓以保持外部FET導通，同時提供強大的柵極酸性電流以降低高頻交流紋波整流的開關(guān)損耗。其 50 mA 源電流能力可實現(xiàn) FET 的超快速導通，從而最大限度地降低功耗;其 300 mA 灌電流容量可實現(xiàn)快速關(guān)斷，從而最大限度地減少反向電流傳導。此外，這大大降低了輸出電容器中的紋波電流。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，在相同負載條件下，與傳統(tǒng)的肖特基二極管解決方案相比，LT8672 可有效降低傳導損耗。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低近60°C。它不僅提高了效率，而且消除了對笨重散熱器的需求。

汽車電子系統(tǒng)輸入端出現(xiàn)的高峰值、窄脈沖通常來自兩個來源：

當感性負載串聯(lián)或并聯(lián)時，輸入電源的斷開。

影響線束分布電容和電感的負載開關(guān)過程。

圖7.熱性能比較。

其中一些脈沖可能具有高電壓峰值。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在電池初始電壓之上定義了最大峰值電壓為150 V的脈沖。盡管它們具有較大的內(nèi)部阻抗和非常短的持續(xù)時間，但如果下游電子設(shè)備看到這些脈沖，它們很容易損壞。

前端安裝了兩個適當尺寸的TVS以抑制此類尖峰。事實上，一些低能量脈沖可以通過輸入電容和寄生線電感的濾波效應直接吸收。

圖8.LV 124 中定義的 12 V 系統(tǒng)的嚴重冷啟動。

圖9.冷啟動事件。

多個軌道調(diào)節(jié)器通過冷啟動事件

LT8602為多達四個穩(wěn)壓軌（例如，5 V、3.3 V、1.8 V、1.2 V）提供緊湊型解決方案，輸入電壓范圍為5 V至42 V，適用于在冷啟動期間不一定需要導通的功能。否則，對于即使在冷啟動期間也必須運行的功能（例如火花塞控制器或報警器），LT8603等解決方案可在低至3 V（或更低）輸入下工作。

LV 124定義了冷啟動的最壞情況，如圖8所示。它表明最低電池電壓可以降至3.2 V，并在汽車啟動時持續(xù)19 ms。該規(guī)范要求應用在傳統(tǒng)（非理想二極管）解決方案中面臨電池反向保護帶來的額外二極管壓降時保持低至2.5 V的電壓。在無源二極管保護方案中，可能需要降壓-升壓穩(wěn)壓器，而不是不太復雜但效率更高的降壓穩(wěn)壓器，以提供許多微控制器通常需要的穩(wěn)定3 V電源。

LT8672控制器具有3 V V的最小輸入工作電壓巴特，使有源整流器能夠通過冷啟動脈沖工作，輸入和輸出之間的壓降最小（20 mV）。冷啟動事件期間的下游電源的輸入電壓不低于3 V。這允許使用具有3 V最小工作電壓和低壓差特性的降壓穩(wěn)壓器（例如LT8650S）來產(chǎn)生3 V電源。

與LT8650S一樣，許多ADI線性汽車電源IC的最小輸入電壓額定值為3 V。

圖9顯示了1.8 V電源與LT8672和傳統(tǒng)二極管的比較。降壓穩(wěn)壓器工作電壓低至3 V。如圖所示，對于傳統(tǒng)二極管，V在當電池電壓V時，降壓穩(wěn)壓器降至接近2.7 V巴特由于二極管的高壓降，降至3.2 V，觸發(fā)下游開關(guān)穩(wěn)壓器的UVLO關(guān)斷，其1.8 V輸出崩潰。相比之下，在冷啟動事件期間，LT8672輸出端的電壓幾乎保持不變，下游降壓穩(wěn)壓器能夠保持1.8 V輸出。

許多關(guān)鍵功能需要穩(wěn)定的5 V和3.3 V電源軌，以及低于2 V的電源軌，為模擬和數(shù)字IC中的內(nèi)容、處理器I/O和內(nèi)核供電。如果 V巴特低于其輸出或 V在（MIN），純降壓穩(wěn)壓器如果直接由V供電，將失去穩(wěn)壓巴特.但是，此類關(guān)鍵功能通常不需要太多功率，因此可以使用高度集成的緊湊型解決方案，例如6 mm×6 mm LT8603四路輸出、三路單芯片降壓轉(zhuǎn)換器和升壓控制器。

LT8603的集成升壓控制器可在低至2 V以下工作，使其成為其三個降壓穩(wěn)壓器的理想前置穩(wěn)壓器。圖10顯示了針對這些應用的最先進的線性功率解決方案，可以應對冷啟動事件。兩個高壓降壓穩(wěn)壓器由預升壓轉(zhuǎn)換器供電。當 V巴特降至8.5 V以下，升壓控制器開始開關(guān)，輸出（OUT4）調(diào)節(jié)至8 V。一旦啟動，它可以在輸入電壓低至 3 V 的情況下保持輸出調(diào)節(jié)。因此，兩個高壓降壓穩(wěn)壓器可以穿越冷啟動條件，同時提供恒定的5 V和3.3 V輸出，如圖11所示。一次 V巴特升壓控制器從冷啟動恢復到8.5 V以上，僅用作二極管直通。高壓降壓器可處理V巴特高達 42 V。低壓降壓轉(zhuǎn)換器由OUT2供電，通過冷啟動事件提供1.2 V電壓。

圖 10.LT8672 和 LT8603 解決方案可承受冷啟動事件，這些事件可承受冷啟動事件。

圖 11.LT8672和LT8603組合產(chǎn)生5 V和3.3 V輸出，可應對冷啟動事件。

超低 IQ延長始終在線系統(tǒng)的電池運行時間

對于連接到 V 的始終在線系統(tǒng)巴特對于數(shù)周或數(shù)月沒有電池充電的情況，在某些情況下，輕負載和空載效率比滿載效率更重要。超低靜態(tài)電流的線性功率系列（IQ） 器件可保持電池電量，同時承受具有挑戰(zhàn)性的瞬態(tài)條件和 3 V 至 42 V 的寬輸入電壓范圍和寬溫度范圍。為了優(yōu)化效率并在輕負載和空載時保持穩(wěn)壓，該穩(wěn)壓器具有突發(fā)模式操作功能。在突發(fā)之間，與控制輸出開關(guān)相關(guān)的所有電路都關(guān)斷，從而將輸入電源電流降低到幾微安。相比之下，典型的降壓穩(wěn)壓器可能會從V吸收數(shù)百微安的電流。?巴特空載調(diào)節(jié)時，耗盡電池的速度要快幾個數(shù)量級。

給定輕負載下的突發(fā)模式效率主要受開關(guān)損耗的影響，開關(guān)損耗是開關(guān)頻率和柵極電壓的函數(shù)。由于打開和關(guān)閉 MOSFET 并保持內(nèi)部邏輯正常工作需要固定的能量，因此較低的開關(guān)頻率可降低柵極電荷損耗并提高效率。開關(guān)頻率主要由突發(fā)模式電流限值、電感值和輸出電容決定。對于給定的負載電流，增加突發(fā)電流限值允許在每個開關(guān)周期內(nèi)傳遞更多能量，并且相應的開關(guān)頻率更低。對于給定的突發(fā)電流限值，較大值電感比較小的電感存儲更多能量，并且開關(guān)頻率也較低。出于同樣的原因，輸出電容越大，存儲的能量越多，放電時間越長。

圖 12.低 IQLT8650S保持非常高的輕負載效率，以支持始終接通的應用，而不會顯著耗盡電池電量。

圖12顯示了超低IQ同步降壓穩(wěn)壓器 LT8650S 采用的解決方案，可在寬輸入電壓和負載電流范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率。借助集成 MOSFET，該器件可在 3.3 V 或 5 V 固定輸出電壓下提供高達 8 A 的總輸出電流。盡管整體設(shè)計和布局簡單，但該轉(zhuǎn)換器包括可用于優(yōu)化電池供電系統(tǒng)中特定應用性能的選項。

表1列出了低IQ單芯片穩(wěn)壓器非常適合汽車市場，輸入電壓高達42 V或65 V。 這些器件的典型靜態(tài)電流僅為2.5 μA，這要歸功于低IQADI公司開發(fā)的技術(shù)。這些穩(wěn)壓器的最小導通時間為35 ns，在2 MHz開關(guān)頻率下從輸入42 V提供3.3 V輸出電壓，這在汽車行業(yè)中很常見。

靜音開關(guān)電源產(chǎn)品組合消除了 EMI 設(shè)計的復雜性

汽車應用要求系統(tǒng)不會產(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(guān)電源是高效的電源轉(zhuǎn)換器，但本質(zhì)上會產(chǎn)生可能影響其他系統(tǒng)的不受歡迎的高頻信號。開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲發(fā)生在開關(guān)頻率及其諧波處。

紋波是出現(xiàn)在輸出電容和輸入電容上的噪聲分量。使用低 ESR 和 ESL 電容器以及低通 LC 濾波器可以降低紋波。更高頻率的噪聲成分更難解決，這是由于功率MOSFET的快速開關(guān)造成的。由于設(shè)計側(cè)重于緊湊的解決方案尺寸和高效率，工作開關(guān)頻率現(xiàn)在被推至2 MHz，以減小無源元件尺寸并避免使用可聽頻段。此外，開關(guān)轉(zhuǎn)換時間已縮短到納秒級，通過降低開關(guān)損耗和占空比損耗來提高效率。

封裝和PCB布局產(chǎn)生的寄生電容和電感在噪聲分布中起著重要作用，因此如果存在噪聲，則很難消除。由于開關(guān)噪聲覆蓋從數(shù)十MHz到GHz以上的域，EMI預防變得復雜。 受到此類噪聲影響的傳感器和其他儀器可能會發(fā)生故障，從而導致可聞噪聲或嚴重的系統(tǒng)故障。因此，已經(jīng)制定了嚴格的標準來調(diào)節(jié)EMI。最常用的是CISPR 25 Class 5，它詳細說明了150 kHz至1 GHz頻率下的可接受限制。

在高電流下通過汽車EMI調(diào)節(jié)通常意味著復雜的設(shè)計和測試程序，包括在解決方案尺寸、總效率、可靠性和復雜性方面的許多權(quán)衡。通過減慢開關(guān)邊沿或降低開關(guān)頻率來控制EMI的傳統(tǒng)方法需要權(quán)衡取舍，例如效率降低、最小導通和關(guān)斷時間增加以及解決方案尺寸更大。替代緩解措施，包括復雜的笨重EMI濾波器、緩沖器或金屬屏蔽，大大增加了電路板空間、元件和組裝成本，同時使熱管理和測試復雜化。

我們的靜音開關(guān)技術(shù)以創(chuàng)新的方式解決了EMI問題，在高頻、高功率電源中實現(xiàn)了令人印象深刻的EMI性能。第二代靜音開關(guān) 2 器件通過將熱回路電容器集成到封裝中，簡化了電路板設(shè)計和制造。對于42 V/4 A LT8650S等降壓穩(wěn)壓器，熱回路由輸入電容以及頂部和底部開關(guān)組成。其他噪聲環(huán)路包括柵極驅(qū)動電路和升壓電容充電電路。在靜音開關(guān)2器件中，熱回路和暖回路電容器集成在封裝中，并進行了布局，以最大限度地降低EMI。這降低了最終電路板布局對EMI方程的影響，簡化了設(shè)計和制造。通過使用這些器件中集成的可選擴頻頻率調(diào)制功能，可以進一步降低峰值EMI，從而更容易通過嚴格的EMI標準。

圖 13.LT8672 和 LT8650S 配置可實現(xiàn)高輸出電流。

圖13顯示低IQ，適用于汽車I/O和外設(shè)大電流應用的低噪聲解決方案。前端的 LT8672 可保護電路免受電池反向故障和高頻交流紋波的影響，正向壓降僅為數(shù)十 mV。LT8650S的開關(guān)頻率為400 kHz，輸入范圍為3 V至40 V，通過并聯(lián)操作兩個通道，輸出能力為8 A。兩個去耦電容器放置在靠近LT8650S的輸入引腳的位置。采用靜音開關(guān)2技術(shù)，即使未安裝EMI濾波器，高頻EMI性能也非常出色。該系統(tǒng)以顯著的裕量通過了CISPR 25 5類峰值和平均限制。圖14顯示了垂直極化在30 MHz至1 GHz范圍內(nèi)的輻射EMI平均測試結(jié)果。完整的解決方案具有原理圖簡單、總元件數(shù)量最少、尺寸緊湊和 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.用于汽車電池 3.3 V 和 5 V 輸出的完整電源解決方案。

結(jié)論

汽車應用需要低成本、高性能、可靠的電源解決方案。嚴酷的引擎蓋下環(huán)境要求電源設(shè)計人員在考慮各種潛在破壞性電氣和熱事件的情況下，制定穩(wěn)健的解決方案。連接到 12 V 電池的電子板必須經(jīng)過精心設(shè)計，以實現(xiàn)高可靠性、緊湊的解決方案尺寸和高性能。線性電源器件目錄包括專門滿足汽車要求的創(chuàng)新解決方案：超低靜態(tài)電流、超低噪聲、低 EMI、高效率、緊湊尺寸的寬工作范圍和寬溫度范圍。通過消除復雜性，同時提高性能，線性電源解決方案縮短了電源設(shè)計時間，降低了解決方案成本，并縮短了上市時間。

審核編輯：郭婷