車載導(dǎo)航設(shè)計(jì)之電源

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1、車載導(dǎo)航設(shè)計(jì)之電源汽車電子硬件部：趙寬安 車載導(dǎo)航設(shè)計(jì)之電源一、概述二、汽車電源的特點(diǎn)三、電源輸入部分電路分析四、輸入電壓欠壓保護(hù)電路分析五、線性穩(wěn)壓電源六、降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源七、升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源 一、概述 我們都知道車載導(dǎo)航應(yīng)用場(chǎng)合比較特殊、車廠對(duì)車載電子產(chǎn)品的質(zhì)量要求較高、此次交流將針對(duì)車機(jī)產(chǎn)品的特殊要求，結(jié)合公司目前的設(shè)計(jì)，講解車載導(dǎo)航電源的設(shè)計(jì)要求，電路的工作原理，關(guān)鍵器件的參數(shù)選擇，LAYOUT原則以及調(diào)試注意事項(xiàng)。 二、汽車電源的特點(diǎn)1.正常工作電壓波動(dòng)范圍大，工作電壓：916V2.汽車上設(shè)備的啟動(dòng)、停止等狀態(tài)時(shí)，造成較高的尖峰脈沖，詳見車廠相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)3.汽車長(zhǎng)時(shí)間停放在室外，溫度

2、變化范圍較寬，儲(chǔ)存溫度：-40+85度，工作溫度：-30+70度4.安裝防呆要求（電源反接、輸出電源碰地短路等）5.較高的EMI要求（傳導(dǎo)、輻射）6.較低的待機(jī)功耗要求7.工作時(shí)振動(dòng)等級(jí)高 三、電源輸入部分電路分析1.功能 電源防反接保護(hù) 瞬態(tài)脈沖抑制（輸 入過壓保護(hù)） 傳導(dǎo)騷擾抑制抗啟動(dòng)干擾輸入電源濾波 2.設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 保險(xiǎn)絲：注意熔斷閥值電流大于機(jī)器最大工作電流，如果采用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，還需考慮其穩(wěn)度特性及耐壓。 TVS管：根據(jù)車廠CI要求的等級(jí)，選擇合適功率的TVS管，同時(shí)注意其閥值電壓不能超過后面其它器件的耐壓 二級(jí)管：考慮后級(jí)電路工作電流 電感：考慮電感量及額定電流，注意磁環(huán)的材質(zhì)，

3、目前已知的非晶電感不能通過實(shí)驗(yàn)室疊加交流電測(cè)試。 電容：耐壓、容量、工作溫度及電容的等效串聯(lián)電阻（直接影響到傳導(dǎo)騷擾的性能） 3.LAYOUT注意事項(xiàng) 自恢復(fù)保險(xiǎn)絲盡量遠(yuǎn)離熱源 電源輸入經(jīng)過保險(xiǎn)絲后首先經(jīng)過TVS管 電源走線需遵循流經(jīng)電容原則 電源走線需考慮電流需求，在條件容許的條件下盡可能加寬 插件器件焊盤做熱焊盤設(shè)計(jì)，元件反面焊盤離反面貼片器件4MM，以方便產(chǎn)線波峰焊 4.生產(chǎn)工藝要求： 大體積器件（電感、電容）注意打膠固定 四、輸入電壓欠壓保護(hù)電路分析1.功能 保證不消耗掉汽車點(diǎn)火電壓 降低異常電壓造成系統(tǒng)重啟的概率 保證部分器件在異常電壓狀態(tài)后能自動(dòng)重置。 2.設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 電阻：采樣

4、盡量選用精密電阻，以保證誤差不會(huì)太大，如果是在常電上取樣，還需考慮待機(jī)功耗和驅(qū)動(dòng)電流是否符合要求。 三端子穩(wěn)壓：注意陰極最小工作電流，另外需注意其鉗位電壓（當(dāng)輸入電壓Ui2.5V時(shí)，輸出U。=2V;Ui2.5V時(shí)，輸出U。=Ui） 三極管：注意三級(jí)管的溫度特性（高溫導(dǎo)通閥值降低），設(shè)計(jì)時(shí)需留夠充足的余量。 IMP809：電壓低到一定狀態(tài)下，芯片不在工作，這個(gè)時(shí)候的狀態(tài)維持由輸出外圍電阻保持。 五、線性穩(wěn)壓電源1.線性穩(wěn)壓電源的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：成本低、輸出紋波小、瞬態(tài)響應(yīng)特性好，無(wú)EMI（電磁干擾）問題，外圍器件少，PCB面積小。 缺點(diǎn)：效率低、功耗大 應(yīng)用場(chǎng)合：低壓差、輕負(fù)載，對(duì)紋波要求較高的場(chǎng)合

5、。 1.線性穩(wěn)壓電源工作原理 通過負(fù)反饋調(diào)整MOS（三極管）的壓降以使輸出電壓不變。取樣電壓加在比較放大器的同向輸入端，與加在反向輸入的基準(zhǔn)電源相比較，兩者的差值經(jīng)放大后，控制串聯(lián)調(diào)整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)輸出電壓Uout降低時(shí)，基準(zhǔn)電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅(qū)動(dòng)電壓增加，串聯(lián)調(diào)整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超 過所需要的設(shè)定值，比較放大器輸出的驅(qū)動(dòng)電壓減小，從而使輸出電壓降低。 2.線性穩(wěn)壓電源應(yīng)用傳統(tǒng)型線性穩(wěn)壓電源：達(dá)林頓管低壓差線性穩(wěn)壓電源（LDO）：PNP、PMOS、NMOS 3.線性穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)穩(wěn)壓芯片： 輸入電壓-不能超過

6、芯片的最大輸入電壓，滿足芯片最小壓差要求 芯片的耗散功率-W=(Vi-Vo)*I，此值不能大于芯片的額定耗散功耗。 芯片的溫度特性-Tcmax Tj - P*Rjc，保證車機(jī)在高溫環(huán)境下結(jié)溫不超標(biāo)，且需考慮一定余量 芯片的靜態(tài)功耗- 有些線性穩(wěn)壓電源在機(jī)器休眠時(shí)還要工作，此時(shí)就要注意這項(xiàng)參數(shù)了。例如78M05在12V供電不帶任何負(fù)載時(shí)輸入電流大概有3.5MA左右反饋電阻： 為保證輸出電壓精度，建議盡量選用1%精度的電阻，電阻的取值考慮靜態(tài)功耗。 輸出電容： 部分LDO對(duì)輸出電容的ESR要求較高，如AP1117 六、降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源1.降壓開關(guān)穩(wěn)壓電源的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：高轉(zhuǎn)換效率、高輸出電流、低靜

7、態(tài)電流、寬輸入電壓范圍。 缺點(diǎn)：相對(duì)成本較高、輸出紋波大、EMI性能較差，占PCB面積較大。 應(yīng)用場(chǎng)合：高壓差、大電流，對(duì)紋波要求不高的場(chǎng)合。 2.工作原理在開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，輸入電源跟負(fù)載供電的同時(shí)，向L、C儲(chǔ)能，在開關(guān)S斷開時(shí)由L、C釋放能量給負(fù)載供電 Buck電路（降壓斬波電路）關(guān)鍵器件的特性電感：流經(jīng)電感的電流不能突變，感量越大電流增加越慢。電感的電磁轉(zhuǎn)換與磁儲(chǔ)能。電容：電容兩端的電壓不能突變，容量越大變化越小 3.降壓開關(guān)電源應(yīng)用4.電源的工作模式CCM、BCM、DCM： CCM：Continous Conduction Mode 連續(xù)導(dǎo)通模式 BCM：Boundary Conducti

8、on Mode 臨界導(dǎo)通模式 DCM：Discontinous Conducion Mode 斷續(xù)導(dǎo)通模式 CCM特點(diǎn)：電流尖峰較小，同等電容的狀態(tài)下輸出紋波紋波小。同時(shí)對(duì)開關(guān)管的耐電流能力要求較低。DCM特點(diǎn)：瞬態(tài)響應(yīng)快，負(fù)載電流或輸入電壓突變引起的輸出電壓尖峰更低，由于整流管是0電流關(guān)斷，所以尖峰電壓更小，損耗更低。CCM：IL IL /2BCM：IL = IL /2DCM：IL IL /2 L:最小電感量，單位HVIN(MAX):最大輸入電壓，單位VVOUT(MAX):最大輸出電壓，單位V IL : 電感紋波電流峰峰值，單位A。一般情況下，IL 可以選擇在20%*IOUT_max 到30

9、%*IOUT_max 范圍內(nèi)。FOSC:開關(guān)頻率，單位Hz5.關(guān)鍵器件的選型及注意事項(xiàng)開關(guān)儲(chǔ)能電感：利用“電感的電磁特性”實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，利用“電感電流不能突變”的原則實(shí)現(xiàn)濾波，電感在BUCK電路中應(yīng)用時(shí)需特別關(guān)注“電感量”、“額定電流”，它們的取值原則如下。 電感量的取值：取值過大影響瞬態(tài)響應(yīng)速度，過小會(huì)導(dǎo)致輸出紋波偏大，考慮到電感的誤差及額定電流下降幅的影響，電感取值一般取稍大于計(jì)算值的一個(gè)常規(guī)電感，具體的計(jì)算公式如下： 開關(guān)電感的額定電流：一般情況下，所選用的電感飽和電流的最小值應(yīng)為電感峰值電流的1.251.5倍，峰值電流的計(jì)算公式如下： 電感的耗散功率（其中DCR為電感的直流電阻）：輸入濾波

10、電容：抑制開關(guān)電路工作時(shí)造成的紋波，使開關(guān)電路工作穩(wěn)定，同時(shí)避免干擾信號(hào)串入電源。電容的選型主要需考慮電容的容量及有效紋波電流。基于此兩項(xiàng)考慮，輸入電容一般選低ESR的陶瓷電容或者是多個(gè)電容并聯(lián)以降低ESR。 輸入電容容量的選擇： CIN(MIN):最小電容量，單位FVPP:紋波電壓，單位VIO:輸出電流，單位AESR:電容的等效串聯(lián)電阻，單位fs:開關(guān)頻率，單位HZ 輸入電容的有效紋波電流選擇（電容的紋波電流取值需大于電路紋波電流的30%）： 當(dāng)VOUT=VIN/2 時(shí)，為最嚴(yán)酷的條件，此時(shí)的公式IRMS=IOUT/2，我們一般按此公式取值。 輸出電容容量的選擇： COUT:輸出最小容量，單

11、位F ILOAD:瞬態(tài)負(fù)載電流，單位AV DROOP:瞬態(tài)塌陷電壓，單位Vfs:開關(guān)頻率，單位HZ 輸入電容的ESR選擇（ VO為輸出紋波電壓）：輸出紋波的計(jì)算 續(xù)流二極管的選擇：在開關(guān)關(guān)斷期間為儲(chǔ)能電感提供能量釋放通道，考慮到開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率，一般選擇肖特基二極管。由于電感電流不能突變的特性，二級(jí)管的有效電流、峰值電流與電感電流一致，考慮系統(tǒng)的可靠性，一般以IO*2的電流值選對(duì)應(yīng)的二級(jí)管，同時(shí)需考慮二級(jí)管的耗散功率是否滿足高溫環(huán)境下正常工作：TJVF*IO* Rja+TA 開關(guān)芯片的選擇：輸入電壓范圍，輸出電流，開關(guān)頻率，轉(zhuǎn)換效率需滿足電路需求。另外需注意芯片的損耗，BUCK電路芯片的損耗

12、主要來(lái)自MOS管導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗及場(chǎng)效應(yīng)管的柵極損耗等，以下為TPS54331芯片功耗及結(jié)溫的計(jì)算公式： 6.BUCK穩(wěn)壓電源LAYOUT 輸入電容緊靠芯片管腳，續(xù)流二級(jí)管 、儲(chǔ)能電感緊靠芯片管腳放置，避免開關(guān)節(jié)點(diǎn)走線太長(zhǎng)造成干擾及損耗，輸出電容緊靠芯片放置，最終使輸入電容的地線、芯片的地、續(xù)流二級(jí)管的地、輸出電容的地在表層回路最短。取樣部分電路盡量遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)及電感。大電流的走線加粗，許多電源芯片的散熱是通過地線管腳散熱，注意靠近其地線的管腳外多打過孔。另外車廠要求較高，建議預(yù)留屏蔽罩安裝位置。電壓反饋部分器件的選擇：穩(wěn)定輸出電壓的作用，有些應(yīng)用還會(huì)增加“前饋電容”，目的是為了優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)

13、。反饋電阻選用精度1%的電阻，保證輸出精度不超過計(jì)算值的2%，電阻取值在某些應(yīng)用時(shí)取值不宜過小，以保證低靜態(tài)電流。BUCK的電壓輸出公式如下： 七、升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源1.工作原理在開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，二級(jí)管D截止，負(fù)載供電由電容提供，同時(shí)電感完成儲(chǔ)能，當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，電感上的能量通過二級(jí)管向電容及負(fù)載釋放。 BOOST電路（升壓開關(guān)電路）BOOST電路特點(diǎn)如果工作在CCM模式，電感上始終有電流，相對(duì)來(lái)說對(duì)輸入的電源干擾較小。另外也具備高效率、小體積，輸出紋波大，EMI輻射大的特點(diǎn)。 2.BOOST電路（升壓開關(guān)電路）應(yīng)用3.關(guān)鍵器件的選型： 電源反饋部分器件的選擇：穩(wěn)定輸出電壓/電流，過壓保護(hù)。 反

14、饋電阻選用精度1%的電阻，以保證相應(yīng)電壓/電流精度。電阻取值在某些應(yīng)用時(shí)取值不宜過小，以保證低靜態(tài)電流。 儲(chǔ)能電感的感量選擇：開關(guān)儲(chǔ)能電感的占空比：D=(VOUT+VD-VIN)/(VOUT+VD)VD:二極管導(dǎo)通壓降電感量選擇： VLONVINVSWVIN VLOFFVOUTVDVINVOUTVIN ILIo/（1D） LVLO（1D）/(r*f *IL)VLOND/(r*f *IL)L：電感感量，單位H V LON:開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)電感上的電壓,單位VVLOFF:開關(guān)S斷開時(shí)電感上的電壓,單位V IL:流經(jīng)電感的平均電流r: 電流紋波率（rI/ IL ），通常取0.20.3之間之間f：開關(guān)頻率，單位HZ 儲(chǔ)能電感的額定電流： 一般情況下，所選用的電感飽和電流的最小值應(yīng)為電感峰值電流的1.251.5倍，峰值電流的計(jì)算公式如下：IPKIDCIAC（1r/2）IDC rI/ IL（VoVIN）（1D）/L f IL 輸出電容的容量選擇：輸出電容的ESR要求：