適用于售后運(yùn)輸電子產(chǎn)品的高效電源管理架構(gòu)

本應(yīng)用筆記涵蓋了對(duì)售后市場技術(shù)和運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施自動(dòng)化的電源設(shè)計(jì)提出新挑戰(zhàn)的主要市場趨勢和客戶需求。支持該市場的設(shè)備必須對(duì)過壓、過流、反向電壓、反向電流和過熱等瞬態(tài)條件具有魯棒性。本文介紹了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的解決方案，特別強(qiáng)調(diào)了電源架構(gòu)。本應(yīng)用筆記的類似版本于2017年12月21日發(fā)表在Electronics for U上。

介紹

工業(yè)運(yùn)輸市場的電子產(chǎn)品包括各種應(yīng)用。汽車、卡車、火車、飛機(jī)和輪船的自動(dòng)化和娛樂產(chǎn)品增加了售后市場。道路、海上通道、火車和空中交通管制的基礎(chǔ)設(shè)施自動(dòng)化，可以更有效地運(yùn)送人員和貨物。

在過去的幾十年里，售后汽車產(chǎn)品在信息娛樂和遠(yuǎn)程信息處理到高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等領(lǐng)域推動(dòng)了相當(dāng)多的創(chuàng)新。考慮正在設(shè)計(jì)用于汽車和卡車的技術(shù)，例如GPS，音頻，座椅靠背視頻，后視攝像頭，停車傳感器，充電端口和無鑰匙進(jìn)入。全球公司也在不斷推出新的售后市場技術(shù)。最近的創(chuàng)新包括車隊(duì)管理、車載診斷、平視顯示器 （HUD）、手勢控制導(dǎo)航、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、駕駛員輔助、基于無鑰匙/生物識(shí)別的進(jìn)入/退出/駕駛以及貨運(yùn)控制/監(jiān)控。我們?cè)谄嚭涂ㄜ囈约盎疖?、輪船、航?a target="_blank">電子設(shè)備和國防應(yīng)用中看到了這些技術(shù)。

更高效地運(yùn)送人員和貨物的交通基礎(chǔ)設(shè)施自動(dòng)化包括 HOV 車道控制、停車/收費(fèi)、計(jì)價(jià)器、交通控制等。由于工程獨(dú)創(chuàng)性，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)更快的移動(dòng)、準(zhǔn)時(shí)的時(shí)間表和更少的事故。

工業(yè)運(yùn)輸趨勢

車隊(duì)管理和物流是當(dāng)今工業(yè)運(yùn)輸中最具活力的應(yīng)用之一。跟蹤貨物是一項(xiàng)大生意，因?yàn)樨浳锸菑母鱾€(gè)地區(qū)、州、國家甚至海外制造和運(yùn)輸?shù)?。例如，運(yùn)輸?shù)囊赘锲吩谡麄€(gè)運(yùn)輸過程中必須保持在調(diào)節(jié)的溫度、壓力或其他參數(shù)下。同樣，安全貨物需要傳感器來跟蹤位置和進(jìn)入。駕駛員安全也很重要，確保這種安全需要來自監(jiān)控駕駛員警覺性的攝像頭和跟蹤車輛位置的GPS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)使用無線網(wǎng)絡(luò)和云基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行記錄，復(fù)雜的算法綜合數(shù)據(jù)，以對(duì)路線和/或駕駛員安全做出實(shí)時(shí)決策。幾家GPS導(dǎo)航公司現(xiàn)在正在為車隊(duì)管理市場提供硬件和軟件產(chǎn)品和服務(wù)。北美、歐洲、日本和韓國都擁有先進(jìn)的車隊(duì)管理系統(tǒng)的悠久歷史。最近，拉丁美洲、中國和印度正在增加這種能力，這帶來了巨大的增長機(jī)會(huì)。有趣的是，以色列有幾個(gè)參與者在以色列、非洲、歐洲和世界其他地區(qū)開發(fā)消費(fèi)產(chǎn)品。

有些人可能認(rèn)為，沒有太多的創(chuàng)新技術(shù)可以帶入信息娛樂空間，因?yàn)槲覀円呀?jīng)有如此多的音頻/視頻、智能手機(jī)和導(dǎo)航選項(xiàng)成為標(biāo)準(zhǔn)功能。然而，該領(lǐng)域的趨勢包括集成，超越簡單的智能手機(jī)界面，添加HUD，將手機(jī)屏幕投射到擋風(fēng)玻璃上，并帶有手勢控制，以在地圖上和視頻通話之間導(dǎo)航，或其他顯著功能，如天氣，股票行情，日歷等。座椅靠背屏幕與后排乘客的手機(jī)屏幕相呼應(yīng)也是一個(gè)活躍的產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域。

ADAS解決方案仍然是一個(gè)不斷增長的市場。售后市場ADAS技術(shù)包括停車傳感器、后視/擴(kuò)展攝像頭、照明、交通警告、車對(duì)車（車對(duì)車）接口等。幾家制造商正在研究解決方案，使駕駛員能夠避免意外的車道偏離、碰撞、行人和道路危險(xiǎn)，并在限速范圍內(nèi)行駛。

考慮到人們?cè)诟叨葥頂D的城市中花費(fèi)在汽車上的時(shí)間，許多原始設(shè)備制造商正在為汽車和公共汽車添加無線網(wǎng)關(guān)。然后，乘客可以在家和辦公室/學(xué)校之間的長途通勤中繼續(xù)工作。

典型系統(tǒng)架構(gòu)

圖 1 顯示的是典型的車隊(duì)跟蹤/管理系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1.典型的車隊(duì)跟蹤/管理系統(tǒng)架構(gòu)。

電源架構(gòu)概述

車隊(duì)跟蹤/管理設(shè)備由車輛電池供電，汽車通常為 12V，許多卡車通常為 24V。作為售后市場附加組件，它面臨著比界限良好的OEM設(shè)備更苛刻的電源管理環(huán)境。大多數(shù)設(shè)備還具有可充電備用電池，通常為3.6V;當(dāng)主電池電量丟失時(shí)，該備用電池只能持續(xù)幾天。從主電池源，前端電子設(shè)備受到瞬態(tài)和故障條件的保護(hù)。通過降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器和LDO將保護(hù)電壓轉(zhuǎn)換為可用的較低電壓（3.3V、2.5V、1.2V等），為各種數(shù)字邏輯和模擬IC供電。圖 2 顯示了典型的車隊(duì)跟蹤/管理電源架構(gòu)。

圖2.典型的車隊(duì)跟蹤/管理電源架構(gòu)。

故障保護(hù)

與許多其他從車輛電池中獲取電力的電子設(shè)備一樣，車隊(duì)跟蹤/管理設(shè)備也必須受到保護(hù)，免受通常已知的電壓浪涌的影響，例如負(fù)載突降、再生制動(dòng)、長電纜振鈴等。當(dāng)交流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)電池電纜突然斷開時(shí)，就會(huì)發(fā)生負(fù)載突降，將高能量放回車輛電源線，那里沒有任何東西可以吸收它，從而導(dǎo)致高電壓，可能會(huì)損壞未受保護(hù)的電子設(shè)備。當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)汽車中會(huì)發(fā)生再生制動(dòng);車輛動(dòng)能被電機(jī)捕獲并發(fā)送回為電池充電。高壓振鈴與再生制動(dòng)有關(guān)，因?yàn)檫@種活動(dòng)具有高能量、高di/dt的性質(zhì)。

當(dāng)發(fā)生高 di/dt 事件時(shí)，例如當(dāng)設(shè)備插入板載診斷連接器時(shí)，會(huì)發(fā)生長電纜振鈴。為設(shè)備的板載電容器或備用電池充電的浪涌電流與電纜的電感共振，從而導(dǎo)致高壓振鈴。具有較高寄生電感的較長電纜表現(xiàn)出更嚴(yán)重的電壓振鈴。新的OBD-II標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定診斷連接器距離方向盤不到兩英尺（0.61米），而主電池則遠(yuǎn)離引擎蓋下或卡車側(cè)面。這一新要求使得從電池到OBD-II連接器的電纜更長，更容易產(chǎn)生高壓振鈴。

電纜振鈴引起的高壓故障

圖 3 描述了演示電纜振鈴的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置。24V 直流電源用于模擬卡車的 24V 直流電池。一根 10 英尺長的電纜將電源連接到陶瓷電容器（1μF 或 10μF），以模擬車隊(duì)跟蹤設(shè)備的輸入電容。

圖3.電纜振鈴測試設(shè)置。

圖4顯示了我們的第一個(gè)測試，模擬初始插入時(shí)的電纜振鈴，當(dāng)通過電纜寄生電感對(duì)電容器（先前放電）充電的浪涌電流與電路板輸入電容諧振時(shí)。當(dāng)輸入電容為10μF時(shí)，峰值振鈴電壓為32V，電壓尖峰為42.6V。當(dāng)輸入電容為1μF時(shí)，峰值振鈴電壓為40V。

圖4.首次插入時(shí)電纜振鈴。

圖5顯示了我們的第二個(gè)測試，我們模擬電纜上的短暫短路情況。消除短路后，通過電纜寄生電感建立的短路電流與電路板輸入電容諧振。當(dāng)輸入電容為10μF時(shí)，峰值振鈴電壓為40V。當(dāng)輸入電容為1μF時(shí)，峰值振鈴電壓為50.4V，是24V源電壓的兩倍多。

圖5.短暫短路后電纜振鈴。

該實(shí)驗(yàn)使用10英尺的電纜 - 從電池到OBD-II連接器的卡車電纜長度的合理估計(jì)，以證明峰值振鈴電壓可以很容易地使輸入電壓源加倍。高峰值振鈴電壓可能發(fā)生在不同的電纜長度和不同的器件輸入電容下。實(shí)際上，峰值振鈴電壓可以計(jì)算為：

我在哪里PK是峰值短路電流，

是系統(tǒng)的特性阻抗。在這種情況下，L是電纜寄生電感，C是器件輸入電容。

其他故障類型

短路和/或過流保護(hù)電路在電子元件中至關(guān)重要，以防止火災(zāi)危險(xiǎn)，并將電源線與故障短路設(shè)備隔離開來。當(dāng)環(huán)境溫度過高或出現(xiàn)其他故障（過流等）時(shí)，過熱保護(hù)通過降低功耗或完全關(guān)閉器件來防止永久性損壞。過熱保護(hù)可防止系統(tǒng)過熱和火災(zāi)危險(xiǎn)，并確保系統(tǒng)在其定義的溫度限制內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)電池反向連接或電源線向后安裝時(shí)，會(huì)發(fā)生反向電壓故障。雖然不太可能發(fā)生，但如果沒有適當(dāng)?shù)姆聪螂妷罕Ｗo(hù)，反向電壓故障通常會(huì)對(duì)連接到電纜的電源線和電子設(shè)備造成代價(jià)高昂的損壞。

顯然，保護(hù)車隊(duì)跟蹤/管理設(shè)備免受許多可能的故障的影響是有道理的。然而，使用分立元件實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)電路可能非常乏味、昂貴，而且并不總是萬無一失。由于元件數(shù)量眾多，解決方案很大，必須隨著時(shí)間的推移驗(yàn)證和保證電路性能。系統(tǒng)在響應(yīng)故障時(shí)缺乏靈活性（打開開關(guān)，關(guān)閉系統(tǒng)，這需要技術(shù)人員重新啟動(dòng)）會(huì)增加總擁有成本。

圖6所示為Maxim奧林巴斯系列器件的現(xiàn)代保護(hù)IC，即36V/1A MAX17523。這款高度集成的 IC 將所有需要的保護(hù)功能集成在一個(gè)纖巧的 16 引腳 TQFN （3mm x 3mm） 封裝中。MAX17523使用簡單，堅(jiān)固耐用，支持12V交通電子元件，具有以下特性：

高輸入電壓容差（+4.5V至+36V工作范圍）

反向電壓保護(hù)（可承受 -36V 負(fù)輸入電壓）

反向電流保護(hù)

短路、過流保護(hù)

過熱保護(hù)

圖6.MAX17523典型應(yīng)用原理圖

對(duì)于24V運(yùn)輸系統(tǒng)，需要更高額定電壓的保護(hù)IC。這就是Maxim的MAX17525奧林巴斯保護(hù)IC（+5.5V至+60V，0.6A至6A）等解決方案的用武之地。MAX17525采用節(jié)省空間的20引腳TQFN （5mm x 5mm）封裝，具有以下特性：

高輸入電壓容差（+5.5V至+60V工作范圍）

反向電壓/電流保護(hù)（可承受-60V負(fù)輸入電壓）

短路、熱折返限流保護(hù)

過熱保護(hù)

可調(diào) OVLO、UVLO、啟動(dòng)電流和正向電流限制

現(xiàn)代 DC-DC 穩(wěn)壓器如何滿足尺寸和溫度范圍要求

與其他運(yùn)輸電子設(shè)備一樣，車隊(duì)跟蹤/管理設(shè)備在物理上很小，因此需要高度集成才能將電源電路安裝到狹小的空間中。消除設(shè)備的散熱以將其溫度保持在范圍內(nèi)也具有挑戰(zhàn)性。有效集成功率 MOSFET、補(bǔ)償電路和其他外部組件的現(xiàn)代 DC-DC 電源解決方案有助于減小電路尺寸。將小尺寸解決方案與高效的同步整流技術(shù)相結(jié)合，有助于降低功耗。來自Maxim喜馬拉雅系列的MAX15062 （4.5V至60V，300mA）就是此類器件的一個(gè)例子，在纖巧的8引腳TDFN （2mm x 2mm）封裝中提供92%的峰值效率。

圖7.MAX15062A （3.3V V外）/MAX15062B （可調(diào)V外）典型應(yīng)用原理圖。

為了進(jìn)一步提高集成度，喜馬拉雅電源模塊還將功率電感器、電阻器和電容器與 DC-DC 穩(wěn)壓器集成在一起。其結(jié)果是易于使用、易于設(shè)計(jì)且快速上市的電源模塊解決方案，只需要一個(gè)輸入電容器、一個(gè)輸出電容器、兩個(gè)小電壓設(shè)置電阻和一個(gè)可選的軟啟動(dòng)設(shè)置電容器即可完成電源解決方案。MAXM17545 （4.5V至42V，1.7A）和MAXM17575 （4.5V至60V，1.5A）是喜馬拉雅電源模塊的良好范例。

當(dāng)今的汽車以及智能運(yùn)輸自動(dòng)化系統(tǒng)擁有數(shù)百個(gè)傳感器，這些傳感器在極其狹窄的空間限制下安裝。為這些傳感器供電需要更高的集成度。MAXM17532采用革命性的封裝技術(shù)，將42V、100mA電源解決方案小型化為2.6mm x 3mm x 1.5mm電源模塊。這種高效的同步 DC-DC 降壓電源模塊還最大限度地減少了傳感器的散熱，并具有以下特點(diǎn)：

4.0V 至 42V V在范圍

0.9V 至 5.5V V外范圍

100mA 連續(xù)電流

圖8.MAXM17532典型應(yīng)用原理圖

圖9.MAXM17532功率模塊，內(nèi)置微型接近傳感器。

現(xiàn)在，您可以考慮使用LDO為傳感器供電，因?yàn)樗ǔ３杀镜颓沂褂闷饋矸浅：唵巍Ｈ欢?，LDO也具有高功耗，這是一個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)。例如，傳統(tǒng)的簡單數(shù)字/模擬傳感器可能需要5V/20mA，并具有24V輸入（標(biāo)稱）。LDO兩端的功耗為（24V – 5V） x 20mA = 0.38W （標(biāo)稱值）。較新的傳感器具有更高的智能、更多的功能和更大的靈活性——所有這些都需要更多的功率，比如100mA。在保持相同的輸入/輸出電壓的情況下，LDO兩端的功耗為（24V – 5V）x 100mA = 1.9W。這種明顯更高的功耗必須在同一傳感器的物理外形尺寸中消散。此外，傳感器還增加了更多的電路，需要更小的尺寸和更高的集成度。這里適合使用能夠滿足尺寸和功耗要求，同時(shí)提供高效率的電源模塊。低功耗意味著更低的系統(tǒng)工作溫度和更高的長期可靠性。

總結(jié)

售后運(yùn)輸電子產(chǎn)品必須能夠抵抗過壓、過流、反向電壓、反向電流和過熱等瞬態(tài)條件。這些保護(hù)可由高度集成的保護(hù)IC提供，與分立式解決方案相比，這也簡化了設(shè)計(jì)。隨著設(shè)備在縮小尺寸的同時(shí)不斷獲得越來越多的功能，需要更高的集成度。借助高效的電源管理解決方案，您可以緩解散熱挑戰(zhàn)并提高系統(tǒng)的長期可靠性。

審核編輯：郭婷