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適用于汽車無線電系統AM和FM波段的低噪聲開關電源

鉅大LARGE  |  點擊量:899次  |  2020年06月18日  

引言


隨著汽車啟停技術(引擎空閑時自動關閉)應用的日益廣泛,越來越多的汽車系統必須工作在低輸入電壓。熱啟動(此時電池電壓可下降達6V)和冷啟動(此時電池電壓可下降達3V)期間,會發生此類低輸入電壓。本文介紹可承受汽車全輸入電壓范圍(包括冷啟動和拋負載條件)的中間電壓8V開關電源。電源保證為常見子系統供應穩定的8V電源,例如CD驅動器、LCD,以及現代信息娛樂系統中的無線電模塊。為防止AM和FM波段干擾,開關電源工作在2MHz固定頻率,成為無線電系統的理想方法。


低輸入電壓功能的重要性及EMI要求


圖1所示為要求不同架構方法的常見汽車系統。


主電源為3.3V的系統中,具有低壓差的前端降壓轉換器就可以滿足要求(情形1)。此外,升壓轉換器可工作在3.3V,能夠調節到5V(例如用于CAN總線收發器)或其它更高電壓(情形2)。工作在5V或更高電壓軌的系統要求前端預升壓,以確保降壓轉換器的輸入電壓不會下降至規定電壓以下(情形3)。


圖1汽車電源解決方法


低電磁輻射(EMI)也是對汽車電源的一項關鍵要求,尤其在敏感的AM波段。這里所介紹設計的開關轉換器工作在AM波段以上,即保證頻率高于1.71MHz(中波的上段),滿足這一要求,使開關轉換器工作在高頻還可減小外部無源元件的尺寸和成本。


汽車開關電源的關鍵設計參數


圖2所示為開關電源原理圖。該電源包括4.5V至40V升壓控制器(IC1)和36V降壓控制器(IC2),以及實現正常工作的附加電路。兩片IC與外部2MHz方波邏輯信號同步,該信號由微控制器或專用IC供應。這種方法使得在為電源選擇最優開關頻率時具有很大靈活性。電池在正常工作期間,禁止IC1、IC2調節器將OUTB節點電壓穩定在8V。電池電壓在冷啟動期間下降時,使能IC1,將OUTA節點的電壓升高。這允許IC2將OUTB節點的電壓穩定在8V。由于兩片IC的高可靠性,整個設計可承受高達40V的汽車拋負載。系統經過配置并測試,其主輸出(OUTB)可供應20W功率(8V@2.5A),修改外部元件后甚至可供應更高輸出功率。(參見下文中有關IC1和IC2的最優外部元件的討論。)


圖2開關電源原理圖中包括升壓控制器(IC1,MAX15005)和降壓控制器(IC2,MAX16952)


外部元件優化IC2性能


輸出電壓和開關頻率


為了在OUTB節點調節8V電壓,必須選擇正確的反饋電阻分壓器(由電阻R22和R21組成)。注意,IC2的數據資料建議低邊電阻小于100k。為R22選擇51k低邊電阻分壓器,必須根據式1選擇高邊電阻分壓器:


(式1)


式中,VFB=1V(典型值)。


為R21選擇標準電阻值360k,出現的典型輸出電壓值為:


(式2)


假設電阻容限為1%,整個開關電源的最小和最大電壓值(OUTB)為:


(式3)


(式4)


式中,VFB(MIN)為0.985V,VFB(MAX)為1.015V。


根據數據資料建議,外部頻率必須高于IC內部所選頻率的110%。由于我們將IC2的開關頻率與外部2MHz信號同步,所以我們所選內部振蕩器電阻R16必須將內部開關頻率設定在低于1.8MHz。出于這一原因,我們為R16選擇30k電阻。為使IC2以2MHz固定頻率開關,必須防止壓差條件。該IC可防止壓差,直到關斷時間(tOFF)長于100ns(典型值)。這意味著系統的最大占空比不得超過:


(式5)


考慮到降壓調節器IC2的效率(Eff)為90%,能夠確保2MHz固定頻率開關的最小輸入電壓(OUTA)為:


(式6)


這意味著OUTA電壓不得低于11.11V門限。為保證OUTA電壓總是高于11.11V,電池電壓(IN節點)低于11.5V時,必須使能IC1。這樣就為電感L1和肖特基二極管D2上的壓降留出了大約390mV的裕量。


40V拋負載尖峰期間,OUTA電壓達到其高壓值,IC2必須將其輸出穩定在8V。所以,拋負載尖峰期間,IC2的占空比應為:


(式7)


器件的最小導通時間(tON)為80ns(典型值),使其能夠達到的最小占空比為:


(式8)


開關頻率為2MHz。


最小0.16占空比確保在40V拋負載期間實現8V穩壓。


電感和電流檢測


假如您通過使用大電感值減小電感尖峰電流,則可提高IC2的效率。然而,實現這點要更大的印制電路板(pCB)面積,并使負載調整率變差。作為一種可接受的折衷,可選擇電感值使LIR(電感峰-峰電流與直流平均電流之比)等于或小于0.3。參考圖3考慮下式:


圖3IC2(MAX16952)的電感電流


(式9)


(式10)


(式11)


將這些公式合并,得到的公式可計算出L值:


(式12)

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