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车载导航设计之电源

归档日期:07-25       文本归类:导航方法      文章编辑:爱尚语录

  车载导航设计之电源_电子/电路_工程科技_专业资料。车载导航设计之电源 汽车电子硬件部:赵宽安 车载导航设计之电源 一、概述 二、汽车电源的特点 三、电源输入部分电路分析 四、输入电压欠压保护电路分析 五、线性稳压电源 六、降压型开关稳压电源

  车载导航设计之电源 汽车电子硬件部:赵宽安 车载导航设计之电源 一、概述 二、汽车电源的特点 三、电源输入部分电路分析 四、输入电压欠压保护电路分析 五、线性稳压电源 六、降压型开关稳压电源 七、升压型开关稳压电源 一、概述 我们都知道车载导航应用场合比较特殊、 车厂对车载电子产品的质量要求较高、此次 交流将针对车机产品的特殊要求,结合公司 目前的设计,讲解车载导航电源的设计要求, 电路的工作原理,关键器件的参数选择, LAYOUT原则以及调试注意事项。 二、汽车电源的特点 1.正常工作电压波动范围大,工作电压:9~16V 2.汽车上设备的启动、停止等状态时,造成较高的 尖峰脉冲,详见车厂相关标准 3.汽车长时间停放在室外,温度变化范围较宽,储 存温度:-40~+85度,工作温度:-30~+70度 4.安装防呆要求(电源反接、输出电源碰地短路等) 5.较高的EMI要求(传导、辐射) 6.较低的待机功耗要求 7.工作时振动等级高 三、电源输入部分电路分析 1.功能 电源防反接保护 瞬态脉冲抑制(输 入过压保护) 传导骚扰抑制 抗启动干扰 输入电源滤波 2.设计注意事项 保险丝:注意熔断阀值电流大于机器最大工 作电流,如果采用自恢复保险丝,还需考虑其 稳度特性及耐压。 TVS管:根据车厂CI要求的等级,选择合适 功率的TVS管,同时注意其阀值电压不能超过 后面其它器件的耐压 二级管:考虑后级电路工作电流 电感:考虑电感量及额定电流,注意磁环的 材质,目前已知的非晶电感不能通过实验室叠 加交流电测试。 电容:耐压、容量、工作温度及电容的等效 串联电阻(直接影响到传导骚扰的性能) 四、输入电压欠压保护电路分析 1.功能 保证不消耗掉汽车 点火电压 降低异常电压造成 系统重启的概率 保证部分器件在异 常电压状态后能自动 重置。 2.设计注意事项 电阻:采样尽量选用精密电阻,以保证误差不 会太大,如果是在常电上取样,还需考虑待机功 耗和驱动电流是否符合要求。 三端子稳压:注意阴极最小工作电流,另外需 注意其钳位电压(当输入电压Ui≥2.5V时,输出U。 =2V;Ui2.5V时,输出U。=Ui) 三极管:注意三级管的温度特性(高温导通阀 值降低),设计时需留够充足的余量。 IMP809:电压低到一定状态下,芯片不在工 作,这个时候的状态维持由输出外围电阻保持。 五、线.线性稳压电源的特点 优点:成本低、输出纹波小、瞬态响应特性好, 无EMI(电磁干扰)问题,外围器件少,PCB面 积小。 缺点:效率低、功耗大 应用场合:低压差、轻负载,对纹波要求较高 的场合。 1.线性稳压电源工作原理 通过负反馈调整MOS(三极管)的压降以使输出电压不变。 取样电压加在比较放大器的同向输入端,与加在反向输入的基 准电源相比较,两者的差值经放大后,控制串联调整管的压降, 从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时,基准电压与取样 电压的差值增加,比较放大器输出的驱动电压增加,串联调整 管压降减小,从而使输出电压升高。相反,若输出电压Uout超 过所需要的设定值,比较放大器输出的驱动电压减小,从而使 输出电压降低。 2.线性稳压电源应用 传统型线性稳压电源: 达林顿管 低压差线性稳压电源 (LDO):PNP、 PMOS、NMOS 3.线性稳压电源设计注意事项 稳压芯片: 输入电压---不能超过芯片的最大输入电压,满足芯片最小压差要求 芯片的耗散功率---W=(Vi-Vo)*I,此值不能大于芯片的额定耗散功耗。 芯片的温度特性---Tcmax <Tj - P*Rjc,保证车机在高温环境下结 温不超标,且需考虑一定余量 芯片的静态功耗--- 有些线性稳压电源在机器休眠时还要工作,此时 就要注意这项参数了。例如78M05在12V供电不带任何负载时输入电 流大概有3.5MA左右 反馈电阻: 为保证输出电压精度,建议尽量选用1%精度的电阻,电阻的取值考 虑静态功耗。 输出电容: 部分LDO对输出电容的ESR要求较高,如AP1117 六、降压型开关稳压电源 1.降压开关稳压电源的特点 优点:高转换效率、高输出电流、低静态电 流、宽输入电压范围。 缺点:相对成本较高、输出纹波大、EMI性能 较差,占PCB面积较大。 应用场合:高压差、大电流,对纹波要求不 高的场合。 Buck电路 (降压斩波电路) 2.工作原理 在开关S导通时,输入电源 跟负载供电的同时,向L、 C储能,在开关S断开时由 L、C释放能量给负载供电 关键器件的特性 电感:流经电感的电流不 能突变,感量越大电流增 加越慢。电感的电磁转换 与磁储能。 电容:电容两端的电压不 能突变,容量越大变化越 小 3.降压开关电源应用 4.电源的工作模式CCM、BCM、DCM: CCM:Continous Conduction Mode 连续导通模式 BCM:Boundary Conduction Mode 临界导通模式 DCM:Discontinous Conducion Mode 断续导通模式 CCM:IL> ΔIL /2 BCM:IL = ΔIL /2 DCM:IL< ΔIL /2 CCM特点:电流尖峰较小,同等电容的状态下输出纹波纹波 小。同时对开关管的耐电流能力要求较低。 DCM特点:瞬态响应快,负载电流或输入电压突变引起的输 出电压尖峰更低,由于整流管是0电流关断,所以尖峰电压更 小,损耗更低。 5.关键器件的选型及注意事项 开关储能电感:利用“电感的电磁特性”实现储能,利用“电感 电流不能突变”的原则实现滤波,电感在BUCK电路中应用时需 特别关注“电感量”、“额定电流”,它们的取值原则如下。 电感量的取值:取值过大影响瞬态响应速度,过小会导致输出 纹波偏大,考虑到电感的误差及额定电流下降幅的影响,电感取 值一般取稍大于计算值的一个常规电感,具体的计算公式如下: L:最小电感量,单位H VIN(MAX):最大输入电压,单位V VOUT(MAX):最大输出电压,单位V ΔIL : 电感纹波电流峰峰值,单位A。一般情况下,ΔIL 可以选 择在20%*IOUT_max 到30%*IOUT_max 范围内。 FOSC:开关频率,单位Hz 开关电感的额定电流:一般情况下,所选用的电感饱和电流的 最小值应为电感峰值电流的1.25~1.5倍,峰值电流的计算公式 如下: 电感的耗散功率(其中DCR为电感的直流电阻): 输入滤波电容:抑制开关电路工作时造成的纹波,使开关电路 工作稳定,同时避免干扰信号串入电源。电容的选型主要需考 虑电容的容量及有效纹波电流。基于此两项考虑,输入电容一 般选低ESR的陶瓷电容或者是多个电容并联以降低ESR。 输入电容容量的选择: CIN(MIN):最小电容量,单位F VPP:纹波电压,单位V IO:输出电流,单位A ESR:电容的等效串联电阻,单位Ω fs:开关频率,单位HZ 输入电容的有效纹波电流选择(电容的纹波电流取值需大于 电路纹波电流的30%): 当VOUT=VIN/2 时,为最严酷的条件,此时的公式IRMS=IOUT/2, 我们一般按此公式取值。 输出电容容量的选择: COUT:输出最小容量,单位F ΔILOAD:瞬态负载电流,单位A VDROOP:瞬态塌陷电压,单位V fs:开关频率,单位HZ 输入电容的ESR选择( Δ VO为输出纹波电压): 输出纹波的计算 续流二极管的选择:在开关关断期间为储能电感提供能量释放 通道,考虑到开关电源的转换效率,一般选择肖特基二极管。 由于电感电流不能突变的特性,二级管的有效电流、峰值电流 与电感电流一致,考虑系统的可靠性,一般以IO*2的电流值选 对应的二级管,同时需考虑二级管的耗散功率是否满足高温环 境下正常工作: TJ>VF*IO* Rja+TA 开关芯片的选择:输入电压范围,输出电流,开关频率, 转换效率需满足电路需求。另外需注意芯片的损耗, BUCK电路芯片的损耗主要来自MOS管导通损耗、开关损 耗及场效应管的栅极损耗等,以下为TPS54331芯片功耗及结 温的计算公式: 电压反馈部分器件的选择:稳定输出电压的作用,有些应用还 会增加“前馈电容”,目的是为了优化瞬态响应。反馈电阻选 用精度1%的电阻,保证输出精度不超过计算值的2%,电阻取 值在某些应用时取值不宜过小,以保证低静态电流。BUCK的 电压输出公式如下: 6.BUCK稳压电源LAYOUT 输入电容紧靠芯片管脚,续流二级管 、储能电感紧靠芯片管 脚放置,避免开关节点走线太长造成干扰及损耗,输出电容紧 靠芯片放置,最终使输入电容的地线、芯片的地、续流二级管 的地、输出电容的地在表层回路最短。取样部分电路尽量远离 开关节点及电感。大电流的走线加粗,许多电源芯片的散热是 通过地线管脚散热,注意靠近其地线的管脚外多打过孔。另外 车厂要求较高,建议预留屏蔽罩安装位置。 七、升压型开关稳压电源 BOOST电路 (升压开关电路) 1.工作原理 在开关S导通时,二级管D截 止,负载供电由电容提供, 同时电感完成储能,当开关 S断开时,电感上的能量通 过二级管向电容及负载释放。 BOOST电路特点 如果工作在CCM模式,电感 上始终有电流,相对来说对 输入的电源干扰较小。另外 也具备高效率、小体积,输 出纹波大,EMI辐射大的特 点。 2.BOOST电路(升压开关电路)应用 3.关键器件的选型: 电源反馈部分器件的选择:稳定输出电压/电流,过压保护。 反馈电阻选用精度1%的电阻,以保证相应电压/电流精度。电 阻取值在某些应用时取值不宜过小,以保证低静态电流。 储能电感的感量选择: 开关储能电感的占空比: D=(VOUT+VD-VIN)/(VOUT+VD) VD:二极管导通压降 电感量选择: VLON=VIN-VSW≈VIN VLOFF=VOUT+VD-VIN≈VOUT-VIN IL=Io/(1-D) L=VLOFF×(1-D)/(r*f *IL)=VLON×D/(r*f *IL) L:电感感量,单位H VLON:开关S导通时电感上的电压,单位V VLOFF:开关S断开时电感上的电压,单位V IL:流经电感的平均电流 r: 电流纹波率(r=ΔI/ IL ),通常取0.2~0.3之间之间 f:开关频率,单位HZ 储能电感的额定电流: 一般情况下,所选用的电感饱和电流的最小值应为电感峰值 电流的1.25~1.5倍,峰值电流的计算公式如下: IPK=IDC+IAC=(1+r/2)×IDC r=ΔI/ IL=(Vo-VIN)×(1-D)/L f IL 输出电容的容量选择: 输出电容的ESR要求:

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