AN-2083： 用于車輛跟蹤系統(tǒng)的集成電源解決方案

Celso Aron, Dominic Clavillas, 和 Jardine Penaflor

車輛跟蹤系統(tǒng)(VTS)通常安裝在汽車和卡車中。VTS使用全球定位系統(tǒng)(GPS)等技術(shù)提供有關(guān)車輛的速度、位置和方向的實時信息。

要確保VTS可靠工作，需要配備穩(wěn)健的DC-DC電源。電源的設(shè)計必須能夠防止系統(tǒng)出現(xiàn)常見的汽車故障，如負(fù)載突降、冷啟動、反極性以及ISO 7637-2和ISO 16750-2中描述的其他具有破壞性的潛在瞬變。

此外，如果車輛掉電，系統(tǒng)必須能夠切換至備用電池以確保持續(xù)運(yùn)行。最后，汽車電源必須符合汽車電磁干擾(EMI)標(biāo)準(zhǔn)，特別是CISPR 25的要求。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，ADI公司開發(fā)了 EVAL-ADVTS4152-EBZ 電源解決方案，這是一款適用于車輛跟蹤系統(tǒng)的高性能、簡化電源解決方案。

圖 1. EVAL-ADVTS4152-EBZ 電源解決方案評估板

集成解決方案

EVAL-ADVTS4152-EBZ電源解決方案集成三個主模塊：LT4356-1 浪涌抑制器、高效 LT8609A 降壓穩(wěn)壓器和 LTC4040 電池備用電源管理器。這三個模塊相互配合，向VTS等下游電子設(shè)備提供可靠高效的電源。

EVAL-ADVTS4152-EBZ與標(biāo)稱12 V或24 V系統(tǒng)兼容，旨在提供輸出5 V、3 A連續(xù)電流。當(dāng)汽車電池掉電時，系統(tǒng)會自動從單節(jié)鋰離子電池(Li-Ion)或磷酸鋰鐵(LiFePO4)電池切換到備用電源。

圖 2. EVAL-ADVTS4152-EBZ 功能框圖

浪涌抑制器

要設(shè)計一款能夠應(yīng)對高壓瞬變的汽車電源極具挑戰(zhàn)性，因為需要這樣一款器件，既能耗散多余電力，同時不會損壞敏感的電子器件。EVAL-ADVTS4152-EBZ電源解決方案中的LT4356-1浪涌抑制器就可以保護(hù)系統(tǒng)免受高壓瞬變的影響，在高壓瞬變期間仍可持續(xù)運(yùn)行。

LT4356-1驅(qū)動一個作為調(diào)整管的外部N溝道、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)（參見圖3）。在正常工作模式下，LT4356-1使MOSFET完全開啟，并提供從輸入到下游負(fù)載的低阻抗路徑。如果輸入電壓浪涌過高，LT4356-1就會控制MOSFET的柵極，并將輸出電壓調(diào)節(jié)至由OUT引腳到地之間的R33和R34電阻分壓器設(shè)定的安全電壓電平。MOSFET保持開啟狀態(tài)，直到接地的TMR引腳處連接的電容電荷(CTMR)達(dá)到1.35 V。此時，GATE引腳拉低，使MOSFET關(guān)閉。

圖 3. LT4356-1 浪涌抑制器

負(fù)載突降

負(fù)載突降是高壓瞬變的一個示例。當(dāng)交流發(fā)電機(jī)在汽車電池充電期間與電池斷開連接，造成電壓浪涌時，就會發(fā)生負(fù)載突降。EVAL-ADVTS4152-EBZ使用LT4356-1浪涌抑制器保護(hù)敏感的汽車電子部件，可避免這種瞬態(tài)情況的影響。

測試設(shè)置

我們使用DC1950A負(fù)載突降生成器生成負(fù)載突降測試脈沖，并通過EVAL-ADVTS4152-EBZ 輸入傳送。然后在EVAL-ADVTS4152-EBZ的輸出施加一個1 A恒流負(fù)載。圖4顯示負(fù)載突降測試設(shè)置。

圖 4. 負(fù)載突降測試設(shè)置

如圖5所示，實際浪涌波形顯示在通道2 (C2)，浪涌電壓為105.6 V，衰減約400 ms。輸出電壓保持在5 V，顯示在通道3 (C3)，表示電源未中斷。在圖5中，LT4356-1響應(yīng)也顯示在通道1 (C1)。波形中的平坦區(qū)域表明芯片正在將電壓調(diào)節(jié)到所需的38 V鉗位電壓（見圖5）。

圖 5.EVAL-ADVTS4152-EBZ在高瞬態(tài)電壓下的響應(yīng)

降壓穩(wěn)壓器

將LT4356-1的輸出連接到LT8609A高效率降壓穩(wěn)壓器的輸入（見圖6）。LT8609A具有3.0 V~42 V的寬輸入范圍。RT和地之間連接一個電阻，用于設(shè)置開關(guān)頻率。用戶通過SYNC引腳使能擴(kuò)頻調(diào)制，以實現(xiàn)低EMI運(yùn)行。

圖 6. LT8609A 降壓穩(wěn)壓器

電池備用電源管理器

為確保VTS連續(xù)工作，還必須提供一個備用電源，在汽車電池掉電時供電。EVAL-ADVTS4152-EBZ有一個LTC4040高電流、升壓DC-DC穩(wěn)壓器，通過單節(jié)鋰離子電池或LiFePO4電池提供備份電源（見圖7）。

當(dāng)LT4356-1的輸出降至1.2 V電源失效輸入(PFI)閾值以下時，2.5 A升壓穩(wěn)壓器通過備用電池向下游負(fù)載供電。

圖 7. LTC4040 電池備用電源管理器

正常模式到備用電池模式

為了仿真掉電情況，斷開EVAL-ADVTS4152-EBZ輸入端的電源，查看從正常工作模式到備用電池模式的過渡波形。圖9顯示了測試設(shè)置。該仿真測試還顯示了EVAL-ADVTS4152-EBZ如何在冷啟動等欠壓瞬變情況下繼續(xù)運(yùn)行。

在圖8中，標(biāo)稱12 V輸入顯示在通道1 (C1)。通道3 (C3)中顯示的系統(tǒng)輸出表明，當(dāng)12 V輸入下降時，5 V輸出未中斷。此結(jié)果也表明在冷啟動瞬變情況下，EVAL-ADVTS4152-EBZ仍可連續(xù)運(yùn)行。

圖 9. 掉電情況仿真測試設(shè)置

選擇電池充電電壓

當(dāng)汽車電池電源可用時，升壓穩(wěn)壓器將作為降壓電池充電器反向運(yùn)行。充電電壓可根據(jù)電池類型通過用戶可選引腳配置。LTC4040為兩種化學(xué)電池（鋰離子電池和LiFePO4）各提供四種不同的充電電壓選項，這些選項可通過S1、S2和S3滑動開關(guān)輸入進(jìn)行選擇。表2顯示了為兩種電池選擇充電電壓的開關(guān)配置。

熱關(guān)斷配置

如果需要防止異常高的直流電壓，EVAL-ADVTS4152-EBZ還有一個可選的ADT6401引腳可選溫度開關(guān)，可用于提供過溫保護(hù)。有關(guān)基準(zhǔn)電壓源的詳情，請參見 EVAL-ADVTS4152-EBZ, UG-1916 中的ADT6401原理圖。

預(yù)合規(guī)測試

ISO 7637-2:2011和ISO 16750-2:2012標(biāo)準(zhǔn)

ISO 7637-2:2011和ISO 16750-2:2012標(biāo)準(zhǔn)描述了可能的瞬變情況并指定了瞬變仿真測試方法。需要滿足的測試要求如圖10所示，供參考。

圖 10. ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 測試要求

CISPR 25電磁輻射和傳導(dǎo)輻射

CISPR 25是一項汽車標(biāo)準(zhǔn)，針對車載接收機(jī)規(guī)定了防電磁輻射和傳導(dǎo)輻射保護(hù)要求。圖11和圖12顯示了EVALADVTS4152-EBZ的輻射EMI性能。圖13和圖14顯示了傳導(dǎo)EMI性能。圖11至圖14中的紅線表示CISPR25 5類電磁輻射和傳導(dǎo)輻射峰值限值。

圖 12. 輻射 EMI 性能，垂直極化

14. 傳導(dǎo) EMI 性能，負(fù)極性

審核編輯：郭婷