鉅大LARGE | 點擊量：971次 | 2020年04月02日
如何優(yōu)化與創(chuàng)新交通運輸系統(tǒng)的電源解決方案？
交通運輸系統(tǒng)的輸入電壓可能高達14V（單電池供電汽車）、28V（雙電池供電卡車、客車和飛機）、或更高電壓而其數(shù)字系統(tǒng)要一個或更多個低壓軌。因此，設計這類系統(tǒng)時，要了解怎么樣才能簡便、高效和可靠地從很高的輸入電壓降壓。
以下圖1顯示，汽車環(huán)境中的輸入電壓可能視其運行狀態(tài)的改變而改變，而其運行狀態(tài)可能包括負載突降變化到冷車發(fā)動的各種情況，甚至出現(xiàn)電池反向連接。
圖1：典型的汽車瞬態(tài)情況
當應用要求以非常高的效率進行電源轉換，以最大限度減少轉換過程中由功率損耗導致的熱量時，采用開關穩(wěn)壓器解決方案是有幫助的。
開關穩(wěn)壓器本質(zhì)上是單片器件，片內(nèi)集成了MOSFET，采用了同步或非同步配置。或者，開關穩(wěn)壓器也可以由一個開關控制器組成，該控制器驅動采用單級或多級拓撲(多相)的外部MOSFET，以供應數(shù)十安培至數(shù)百安培級的功率。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
為了滿足如此大的功率范圍要求，ADI公司供應了廣泛的開關穩(wěn)壓器解決方案，以使用戶能夠按照最終系統(tǒng)所需的特定設計標準，選擇最適用的器件。相應地，我們的開關穩(wěn)壓器有非常寬的輸入電壓范圍(從5V直至150V)，輸出功率級從數(shù)百毫安直至高于1,000A。
這種開關穩(wěn)壓器的一個例子是LTC3895，該器件是一個具有150V輸入的同步降壓型轉換器，可配置為多相運行，如圖2所示。
圖2：LTC3895原理圖以及效率隨功率損耗變化的曲線
在任何交通運輸系統(tǒng)中都有一個常見問題：怎么樣才能在不影響性能和轉換效率的前提下，獲得高降壓比和占板面積緊湊的解決方案。之前，依然沒有一款解決方案能夠在不犧牲其他性能的情況下達到所有關鍵性能標準。現(xiàn)在，隨著ADI單片、2MHz以上、同步降壓型轉換器LT86xx系列的推出，所有必要的性能標準都可以立即得到滿足了。
一個很好的例子是LT8609，這是一款2A、42V輸入同步降壓型開關穩(wěn)壓器。獨特的同步整流拓撲供應93%的效率，而以2MHz頻率切換使設計師能夠避開關鍵噪聲敏感頻段，例如AM無線電，同時可供應占板面積非常緊湊的解決方案。突發(fā)模式(BurstMode)運行在無負載備用情況下保持靜態(tài)電流低于2.5A，從而使該器件非常適合始終保持接通的系統(tǒng)。LT8609的3.0V至42V輸入電壓范圍使其非常適合汽車應用，這類應用必須以低至3.0V的最低輸入電壓穩(wěn)定通過冷車發(fā)動和停-啟情況，并穩(wěn)定通過超過40V的負載瞬態(tài)。其內(nèi)部3.5A開關可在峰值負載電流為3A時，供應高達2A的持續(xù)輸出電流。原理圖和相應于2MHz切換頻率的效率曲線如圖3所示。
圖3：LT8609原理圖和效率曲線
由于在單電池或雙電池供電車輛中，冷車發(fā)動和負載突降情況很常見，所以很多交通運輸系統(tǒng)都供應很寬的輸入電壓范圍。而且使情況更加復雜的是，所需輸出電壓有可能超出這種已經(jīng)很寬的輸入電壓范圍。因此，系統(tǒng)設計師面對的復雜問題是，無論輸入電壓是高于、低于還是等于輸出電壓，所設計的解決方案都必須允許固定輸出。
解決這種問題的常見方法是采用SEPIC拓撲轉換器。不過這種轉換器的設計很復雜，要兩個電感器，而且通常空間利用率和轉換效率都不高。因此，ADI公司設計了廣泛的4開關降壓-升壓型控制器，這些控制器不僅簡化了設計，還供應很高的空間利用率和轉換效率，功率損耗在5%至7%之間(視輸入至輸出電壓范圍而定)。圖4所示LT8705是一個4V至80V輸入的降壓-升壓型控制器例子，該器件供應車輛環(huán)境中常見的一個固定12V輸出。
圖4：詳細的LT8705原理圖，從4V至80V輸入供應固定12V輸出
解決汽車冷車發(fā)動問題的另一種方法是，采用升壓型轉換器，后面再跟一個降壓型轉換器。在這種拓撲中，從單電池供應的升壓型轉換器之輸出設定為比電池的標稱電壓高出幾伏，然后再用一個降壓型轉換器對其降壓，使其達到下游電子組件所需的工作電壓。盡管這種方法要兩個轉換器，但是ADI公司已經(jīng)開發(fā)出一款整合了升壓型控制器和降壓型控制器的器件，兩個控制器既可獨立使用，又可作為升壓-降壓跟隨器使用。圖5中用LTC7813說明這種器件的工作原理。
圖5：LTC7813原理圖~~一個級聯(lián)的升壓及降壓型單輸出控制器IC
低噪聲電源管理
電磁輻射(EMR)、電磁干擾(EMI)和電磁兼容(EMC)這些術語與帶電粒子及有關磁場的能量有關，這種能量有可能影響電路性能和干擾信號傳輸。隨著無線通信的普及、大量通信設備的涌現(xiàn)以及通信方法日益增多、占用越來越多的頻譜(有些頻段是相互重疊的)，電磁干擾已經(jīng)成為揮之不去的事實。為了減輕電磁干擾的影響，很多政府機構和監(jiān)管機構都設定了通信設備及儀器儀表的電磁輻射限度。
因此，很顯然的是，低輻射是很多汽車和交通運輸設備制造商的關鍵要求。系統(tǒng)設計師怎么樣才能滿足汽車CISPR25、Class5(圖6所示)的嚴格要求，同時仍然保持高效率和很小的解決方案尺寸呢？
圖6a：LT8614的輻射值遠低于CISPR25、Class5限制
圖6b：采用SilentSwitcher拓撲的LT8614
一種答案也許是采用ADI的SilentSwitcher系列器件。以LT8614為例，這是一款42V輸入、4A輸出、單片降壓型轉換器，以高于2MHz的開關頻率和94%的轉換效率切換，由于其很短的30ns最短接通時間，因此可滿足16V輸入至1.8V輸出降壓比。此外，由于采用了已獲專利的SilentSwitcher技術，所以該器件可超越CISPR25和CISPR22ClassB輻射要求，如圖7所示。
圖7：LT8614滿足CISPR22和CISPR25要求
低靜態(tài)電流也是關鍵要求
在交通運輸電子系統(tǒng)中，有很多應用要求持續(xù)供電，甚至在車輛已經(jīng)停泊后，例如遙控無鑰匙進入、安防甚至個人信息娛樂系統(tǒng)，這類應用通常還包括導航、GPS定位和緊急呼叫系統(tǒng)。也許難以理解，為何這些系統(tǒng)甚至在車輛未行使時也必須保持接通，不過可以理解的是，為了應對緊急情況和保證安全，GPS系統(tǒng)必須始終保持接通。這種要求很有必要，以便在要時通過外部操作運用基本控制功能。
這類應用的一個關鍵要求是低靜態(tài)電流，以延長電池壽命。自2010年以來，ADI一直在生產(chǎn)備用靜態(tài)電流低于10mA的開關穩(wěn)壓器，我們最近推出的一些較新產(chǎn)品的備用靜態(tài)電流已經(jīng)低于2mA了。因此，這些產(chǎn)品已經(jīng)為應用于很多汽車電子系統(tǒng)做好了充分準備。
結論
ADI供應了豐富的開關穩(wěn)壓器產(chǎn)品，這些產(chǎn)品滿足對開關穩(wěn)壓器的所有要求，而且這些產(chǎn)品的特性非常適合多種交通運輸系統(tǒng)，其特性包括：
很寬的輸入電壓范圍：2.xV至150V在備用模式具低靜態(tài)電流：典型情況下低于10mA最低限度的輸出噪聲和很低的EMI/EMC輻射擴展的溫度范圍：在150C環(huán)境溫度和結溫時保證運行高效率：滿負載時高達97%，輕負載情況下高達80%低熱阻封裝：低至10C/W(qjc)以高降壓比、高開關頻率運行：高達4MHz高電流密度：采用3mmx5mmMSOP封裝，供應高達5A持續(xù)輸出電流行業(yè)領先的FIT率：典型情況下低于0.2。
