應(yīng)對售后市場電子產(chǎn)品和基礎(chǔ)設(shè)施的電源挑戰(zhàn)

工業(yè)運(yùn)輸電子產(chǎn)品包括汽車、卡車、火車、飛機(jī)和船舶自動化和娛樂的售后市場附加功能，以及道路、海上通道、火車和空中交通管制的基礎(chǔ)設(shè)施自動化。本應(yīng)用筆記討論了主要市場趨勢和客戶需求，這些趨勢和客戶需求給售后市場技術(shù)和運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施自動化的電源設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。本文還將研究應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的解決方案，特別強(qiáng)調(diào)電源架構(gòu)。本應(yīng)用筆記的類似版本最初于2018年4月17日出現(xiàn)在Electronics for U上。

介紹

售后汽車產(chǎn)品推動了從信息娛樂和遠(yuǎn)程信息處理到高級駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 的非凡創(chuàng)新。GPS、后視攝像頭和停車傳感器等功能現(xiàn)在在車輛中很常見。全球公司也在不斷推出新的售后市場技術(shù)。車隊管理、車載診斷、平視顯示器和貨運(yùn)控制/監(jiān)控只是汽車和卡車、火車、船舶、航空電子設(shè)備和國防應(yīng)用中技術(shù)的幾個例子。

更高效地運(yùn)送人員和貨物的交通基礎(chǔ)設(shè)施自動化包括 HOV 車道控制、停車/收費(fèi)、計價器、交通控制等。許多其他創(chuàng)新使更快的移動、準(zhǔn)時的時間表和更少的事故成為可能。

工業(yè)運(yùn)輸市場趨勢

車隊管理和物流是工業(yè)運(yùn)輸中最具活力的應(yīng)用之一。跟蹤從各個地區(qū)、州、國家甚至海外制造和運(yùn)輸?shù)呢浳锸且豁?xiàng)大生意。例如，考慮易腐爛的物品。農(nóng)產(chǎn)品和其他食品在運(yùn)輸時必須保持在調(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。駕駛員安全也至關(guān)重要，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)，以做出路線和/或駕駛員安全的實(shí)時決策。幾家GPS導(dǎo)航公司已進(jìn)入車隊管理市場，提供硬件和軟件產(chǎn)品和服務(wù)。

對于信息娛樂，有些人可能會覺得鑒于已經(jīng)可用的標(biāo)準(zhǔn)功能，創(chuàng)新空間不大。然而，汽車設(shè)計師正在創(chuàng)造的不僅僅是簡單的智能手機(jī)界面，還為車輛帶來了進(jìn)步，例如平視顯示器（HUD），它將手機(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，或者其他顯著功能，如天氣，股票行情和日歷。另一個活躍的產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域涉及座椅靠背屏幕，以反映后排乘客的手機(jī)屏幕。

ADAS應(yīng)用正迅速成為車輛的標(biāo)準(zhǔn)功能。照明、停車傳感器、交通警告、后視/擴(kuò)展攝像頭和車對車（車對車）接口是可用的售后 ADAS 功能。幾家制造商正在研究解決方案，以幫助駕駛員避免意外的車道偏離、碰撞、行人和道路危險，并在限速范圍內(nèi)行駛。

在繁忙的城市地區(qū)，人們花了很多時間在汽車上，以至于我們看到許多汽車和公共汽車上的無線網(wǎng)關(guān)。這種能力使乘客在長途通勤中保持高效。

典型系統(tǒng)架構(gòu)

圖1.典型的車隊跟蹤/管理系統(tǒng)架構(gòu)。

車隊跟蹤設(shè)備的電源架構(gòu)

車輛電池（汽車中通常為 12V，許多卡車中通常為 24V）為車隊跟蹤/管理設(shè)備供電。該設(shè)備作為售后附加組件，而不是有界限的OEM版本，面臨著更苛刻的電源管理環(huán)境。這些設(shè)備中的大多數(shù)還具有可充電備用電池，通常為3.6V，當(dāng)主電池電量丟失時可持續(xù)使用兩到三天。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)。為了給各種數(shù)字邏輯和模擬IC供電，降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器和LDO將受保護(hù)的電壓轉(zhuǎn)換為可用的較低電壓（即3.3V、2.5V、1.2V）。

圖2.典型的車隊跟蹤/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，必須保護(hù)車隊跟蹤/管理設(shè)備免受負(fù)載突降、再生制動、長電纜振鈴和其他此類事件引起的電壓浪涌的影響。

當(dāng)交流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時電池電纜突然斷開時，就會發(fā)生負(fù)載突降。此事件將高能量放回車輛電源線上，那里沒有任何東西可以吸收它，從而導(dǎo)致高電壓，可能會損壞未受保護(hù)的電子設(shè)備。

在再生制動中，當(dāng)電動汽車駕駛員踩下制動器時，電機(jī)會捕獲車輛的動能并將其發(fā)送回電池充電。由于再生制動的高能量、高di/dt性質(zhì)，因此存在與此事件相關(guān)的高壓振鈴。當(dāng)存在高 di/dt 事件時，例如當(dāng)設(shè)備插入板載診斷連接器時，會發(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諧振并導(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。這種要求的缺點(diǎn)是它使從電池到OBD-II連接器的電纜更長，因此更容易出現(xiàn)高壓振鈴。

電纜振鈴引起的高壓故障

圖 3 顯示了實(shí)驗(yàn)室設(shè)置中的電纜振鈴。24VDC 電源模擬卡車上的 24VDC 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顯示了在初始插入時模擬電纜振鈴的第一個測試，當(dāng)浪涌電流（為先前放電的電容器充電并通過電纜寄生電感建立）與電路板輸入電容諧振時。當(dāng)輸入電容為10μF時，峰值振鈴電壓為32V，電壓尖峰為42.6V。當(dāng)輸入電容為1μF時，峰值振鈴電壓為40V。

圖4.首次插入時電纜振鈴。

圖5顯示了模擬電纜上短暫短路情況的第二個測試。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，峰值振鈴電壓為40V。當(dāng)輸入電容為1μF時，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，該數(shù)量代表了卡車電纜從電池到OBD-II連接器的合理估計，以證明峰值振鈴電壓可以輕松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算如下：

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。

其他需要考慮的故障

由于電子元件可能會遇到短路故障，因此短路和/或過流保護(hù)電路對于防止火災(zāi)危險以及將電源線與故障短路設(shè)備隔離至關(guān)重要。當(dāng)環(huán)境溫度過高或存在其他故障（即過流）時，過溫保護(hù)可通過降低功耗或完全關(guān)閉器件來防止永久性損壞。過溫保護(hù)可防止系統(tǒng)過熱和火災(zāi)危險，并確保系統(tǒng)在其定義的溫度限制內(nèi)運(yùn)行。反向連接電池或反向安裝電源線可能會觸發(fā)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對電源線和連接到電纜的電子設(shè)備造成代價高昂的損壞。

我們已經(jīng)討論了保護(hù)設(shè)備免受許多可能故障的影響的必要性。使用分立元件實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)電路可能非常乏味、昂貴且并非萬無一失。由于元件數(shù)量眾多，解決方案很大，系統(tǒng)設(shè)計人員有責(zé)任驗(yàn)證和保證電路性能隨時間推移?？紤]到系統(tǒng)在響應(yīng)故障（打開開關(guān)，關(guān)閉系統(tǒng)，然后讓技術(shù)人員重新啟動系統(tǒng)）時缺乏靈活性，總擁有成本也很高。

圖6所示為Maxim的奧林巴斯系列器件MAX17523 （36V/1A）的現(xiàn)代保護(hù)IC。這款高度集成的 IC 將所有必需的保護(hù)功能集成到單個纖巧型 16 引腳 TQFN 3×3mm 封裝中。該器件使用起來非常簡單，同時為 12V 運(yùn)輸電子設(shè)備提供了堅固耐用的解決方案。MAX17523提供以下特性：?

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)

過溫保護(hù)

圖6.MAX17523典型應(yīng)用原理圖

對于24V運(yùn)輸系統(tǒng)，需要更高額定電壓的保護(hù)IC。Maxim奧林巴斯保護(hù)IC系列的MAX17525（+5.5V至+60V，0.6A至6A）是理想的選擇。該器件采用節(jié)省空間的 20-TQFN 5×5mm 封裝。MAX17525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)

過溫保護(hù)

可調(diào) OVLO、UVLO、啟動電流和正向電流限制

利用現(xiàn)代 DC-DC 穩(wěn)壓器解決空間限制問題

與許多其他運(yùn)輸電子設(shè)備一樣，車隊跟蹤/管理設(shè)備在物理上很小。消除設(shè)備的散熱以將其溫度保持在范圍內(nèi)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。將電源電路安裝到狹小的空間中需要高度集成。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。Maxim喜馬拉雅系列的MAX15062 （4.5V-60V，300mA）就是此類器件的一個例子，在纖巧的8 TDFN 2×2mm封裝中提供92%的峰值效率。

圖7.MAX15062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包括功率電感器、電阻器和帶 DC-DC 穩(wěn)壓器的電容器。對于設(shè)計人員而言，這些模塊易于使用和設(shè)計，可實(shí)現(xiàn)快速上市，同時只需要一個輸入電容器、一個輸出電容器、兩個小型電壓設(shè)置電阻器和一個可選的軟啟動設(shè)置電容器即可實(shí)現(xiàn)完整的電源解決方案。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典范。

當(dāng)今的汽車和智能運(yùn)輸自動化應(yīng)用擁有數(shù)百個傳感器。在這些應(yīng)用中，傳感器被添加到空間受限的設(shè)備中。為傳感器供電需要更高的集成度。MAXM17532采用先進(jìn)的封裝技術(shù)，將42V、100mA電源方案小型化為2.6×3×1.5mm uSLIC。?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。

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 uSLIC功率模塊，內(nèi)置微型接近傳感器。

有人可能會說：我可以使用LDO為傳感器供電！是的，這是正確的，因?yàn)長DO通常成本低且易于使用，但它具有高功耗，這是一個關(guān)鍵的缺點(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）×20mA = 0.38W （標(biāo)稱值）。更新的傳感器具有更高的智能、更多的功能和更大的靈活性。所有這些特性意味著更大的功率，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） ×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。除此之外，傳感器上還增加了更多的電路，需要更小的尺寸和更高的集成度。

Maxim喜馬拉雅的uSLIC電源模塊可滿足尺寸和功耗要求。在24V輸入、5V/100mA輸出和85%效率下，MAXM17532的功耗為（5V × 100mA）× （1/85% - 1） = 0.09W，或僅為LDO中功耗1.9W的5%。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)

不斷增長的售后市場運(yùn)輸電子行業(yè)涵蓋車載系統(tǒng)和運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施。服務(wù)于該市場的設(shè)備必須能夠抵抗過壓、過流、反向電壓、反向電流和過溫等瞬態(tài)條件。高度集成的保護(hù)IC可防止這些條件，與使用分立式解決方案相比，簡化了設(shè)計。這些類型的設(shè)備也變得越來越小，同時仍然提供許多功能。這需要更高的集成度，例如高效電源管理解決方案中可用的解決方案，以減輕散熱，同時增強(qiáng)長期系統(tǒng)可靠性。

審核編輯：郭婷