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针对汽车严苛环境设计 完善电源供应系统占小空间、省电及低EMI
[作者 Bin Wu、Zhongming Ye]   2020年04月08日 星期三 浏览人次: [7104]

本文探讨汽车电源供应器规格的关键要求,以及因应汽车规范的解决方案,内容并提供多个范例解决方案,来一一说明高效能元件的组合如何轻易地解决以往无法克服的汽车电源难题。


汽车技术的进步,使得现代汽车的电子元件数量大幅地增加,并藉此改善了驾驶经验、娱乐功能多元化、增加更多电源与能源来源。透过持续投资工程资源,业界致力为汽车市场改良电源管理解决方案,而这方面的技术,使得电源供应效率获得了显着的提升,其中包括了电源供应效率、纤巧性、强固性、以及EMI性能等。


汽车应用的电源供应器必须在面临各种严苛条件下正常运作而不失效━因此,设计者必须能因应所有紧急状况,其中包括负载突降(load dump)、冷启动(cold crank)、正负极反接、双电池借电发车、尖波、LV 124/ISO 7637-2/ISO 17650-2/TL82066等标准所规范的其他暂态事件,另外还有机械震动、杂讯、极宽的温度范围等状况。


本文即将探讨汽车电源供应器规格的关键要求,以及因应汽车规范的解决方案,其中包括:


.汽车输入暂态


.输入电压范围


.输出电压/电流


.低静态电流(IQ)


.电磁干扰(EMI)


这里将提供多个范例解决方案,来一一说明高效能元件的组合如何轻易地解决以往无法克服的汽车电源难题。


严苛的汽车环境

图1显示一个完整的电源解决方案,其可因应各种汽车应用极为严苛的要求。在前端部分,理想二极体LT8672负责保护电路,使其耐受引擎室中各种严苛的条件,以及像是电池正负极反接这类破坏性失效。在理想二极体之後,则是一系列的低静态电流(IQ)降压稳压器,这些元件具备极宽的输入范围━从3V到42V ━为各元件提供调整後的电压,其中包括核心、I/O、DDR、以及周边装置需要的其他供电轨。



图1 : ADI旗下针对汽车电子开发的Power by Linear解决方案符合暂态免疫方面的各种要求。
图1 : ADI旗下针对汽车电子开发的Power by Linear解决方案符合暂态免疫方面的各种要求。

这些稳压器具备超低的静态电流,故能为各种常时启动系统延长电池的运行时间。低杂讯电源转换技术将能对昂贵EMI抑制元件的需求减至最低,并缩短设计与测试的周期,以及因应各种严苛的汽车EMI标准。


对於许多必须渡过冷启动事件的关键功能而言,LT8603多通道低IQ降压稳压器内建预稳压型升压控制器,提供外型精小的解决方案,并且拥有至少3个调节电压供电轨。LT8602能为各种先进驾驶辅助系统(ADAS)应用提供4个调节电压供电轨,其中包括碰撞警示、缓解撞击煞车及盲点监视等。


图2显示一个传统汽车电子系统,其是由引擎驱动发电机。这部发电机基本上是一部三相发电机,其交流输出会透过整个二极体电桥进行整流。这个整流器的输出除了用来为铅酸电池充电之外,还会为12V电路与元件供电。典型的负载包括ECU、燃油泵浦、煞车、风扇、空调、音响及照明系统等。目前业界已经将越来越多的ADAS辅助系统加入到12V汇流排,其中包括各种周边、I/O、DDR、处理器及相关的电源供应器。



图2 : 典型的车载电子系统
图2 : 典型的车载电子系统

电动车则有些差别。其引擎换成电动马达,直流对直流转换器负责将400伏高电压锂离子(Li-Ion)电池组的电力转换成12V,而不是从发电机取得电力。但传统12V发电机装置仍会继续延用,连带其暂态脉冲━包括快速脉冲在内也会继续存在。


引擎在极窄rpm转速范围内维持高峰效率运转时,发电机的输出维持稳定状态,电池电压也相对稳定,在大多数条件约在13.8V左右。从汽车电池直接取电的每个电路必须在9V至16V范围内可靠地运行,但强固的汽车电子设计必须能在各种超出规范条件下运作,在大多数不方便的时间点,这些状况都无可避免。


虽然发电机的输出名义上是稳定的,但还不够稳定到足以省去调节,因此仍须进行调节後才能将电力输送到汽车的其他系统。不想看到的电压突波或暂态事件对於下游的电子系统是有害的,而且倘若没有妥善解决,甚至可能导致这些系统故障或造成永久损坏。在过去几十年,包括ISO 7637-2/ISO 16750-2/ LV 124/ TL82066在内的汽车标准都规范了汽车电源供应器必须承受的突波与电压暂态,并制定相关的设计规范。


其中一项最关键与具挑战性的高电压暂态,就是负载突降。在汽车电子领域中,负载突降是指电池在充电时,发电机和汽车电池断开连结的状况。在负载突降暂态中,发电机的激发场(excitation field)维持高位,并有极大的滞後系数━发电机即使在没有负载时仍会持续输出高功率。


电池本身是一个大容量,通常会吸收额外的能源,但当接头松脱或其他因素导致断开连结,就无法再提供这项服务。因此,所有其他电子元件会看到电压突波且必须能耐受这类负载突降事件。未抑制的负载突降可能导致发电电压窜升到100 V。


所幸现代汽车发电机有采用雪崩等级的整流二极体,可将负载突降电压限制在35V━但和规范数值仍有很大的差距。这类负载突降事件持续时间最多可达400毫秒。


另一种高电压事件为借电发动(jump-start)。有些拖吊车会使用两颗串联电池,确保能以借电方式去发动电池没电的抛锚车,因此拖吊车的电路必须能承受双倍额定电池电压,至少要耐受28伏数分钟的时间。许多Power by Linear高电压步阶降压稳压器,像是Silent Switcher与Silent Switcher 2两个系列的元件,包括LT8650S与LT8640S最高能在42 V运作,高於上述的电压要求。


另一方面,其他厂商较低额定电压的元件则需要用到箝位电路,因此不仅成本较高且导致效率降低。另外包括LT8645S 与LT8646S在内的Power by Linear稳压器则能支援到65伏的额定电压,可用在包括卡车与飞机等这类24V的应用环境中。


驾驶人发动汽车,而启动马达从电池汲取数百安培电流时,会出现另一种电压暂态。此时电池电压会短暂下降一段时间。在传统汽车中,这种状况只会出现在驾驶人发动汽车时━例如发动汽车先开往超市,之後要开车回家时又再发动一次。


许多现代汽车会配备怠速熄火功能以节省油料,在开车去超市的旅程中会有多次怠速熄火事件━每个停车号志以及停红绿灯时都会发生。额外的怠速熄火事件对於电池与启动马达形成大幅增加的压力,远超过传统汽车。


此外,若启动马达事件发生在低温的清晨,启动马达汲取的电流会高过温度较高时候所汲取的电流,使得电池电压在一段约20毫秒的时间中下降到3.2V甚至更低━这种状况称为冷启动。然而即使在冷启动状况下,一些功能仍必须维持启用。


幸运的是,从设计上来看,这类关键功能通常不需要耗用大量电力。像LT8603多通道转换器这类整合式解决方案,即使输入电力下降到3伏以下,依然能维持供电规范。


ISO 7637-2与TL82066标准定义许多其他脉冲规范。有些有较高正电压或负电压,但也有较高的电源阻抗。这些脉冲的能量相比上述事件来得小,可藉由适当选用输入TVS抑制元件进行滤波或箝位。


符合汽车免疫规范的理想二极体

主动整流控制器LT8672拥有高输入电压定额(+42 V, ?40 V)、低静态电流、超快暂态反应速度、以及超低外部FET电压降控制,在极低功耗下为12V汽车系统提供保护。


电池正负极反接

当电池端子断开後,有可能出现汽车电池正负极接反的状况,此时电子系统可能被流入的电池负电压所损坏。通常会运用阻隔二极体串联到电源输入端,藉以保护正负极反接所造成的破坏,但阻隔二极体本身也有电压降,因此除了会导致没有效率的系统,还会使输入电压下降,尤其是在冷启动时。


LT8672该款理想二极体能取代被动式二极体,用来保护下游系统免於遭受负电压的破坏,如图3所示。



图3 : LT8672对电池正负极反接的反应
图3 : LT8672对电池正负极反接的反应

在正常状况下,LT8672会控制一个外部N通道MOSFET,从而构成一个理想二极体。GATE放大器除了感测汲极与源极,还会驱动MOSFET的闸极,藉以将顺向电压调节至20毫伏。在负载步阶过程中D1会保护正向的源极,以及防范各种过压状况。当负电压出现在输入侧,当源极转为负GATE会拉升至源极,并关闭MOSFET,以及将汲极与负输入隔离开来。拥有快速下拉(FPD)功能的LT8672 能迅速关闭外部MOSFET。



图4 : LT8672对正负极反接事件进行反应的波形
图4 : LT8672对正负极反接事件进行反应的波形

叠加交流电压

电池供电轨经常遭遇的一种干扰,就是叠加(superimposed)的交流电压。这种交流电元素系为整流发电机输出的一种瑕疵,或是各种高电流负载频繁切换造成的结果,包括像马达、灯泡、或PWM控制的负载。


根据ISO 16750以及LV 124的汽车规范,ECU可能受到叠加在电源上的交流涟波所影响,其频率最高可到30kHz,振幅最高到6 V p-p。在图5中,高频率交流涟波叠加到电池线路电压。典型的理想二极体控制器其反应速度过慢,反观LT8672则能产生高频率闸极脉冲,频率最高到100 kHz,能视需要控制外部FET,藉以抑制这些交流涟波。



图5 : LT8672对叠加交流电压反应的波形
图5 : LT8672对叠加交流电压反应的波形

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LT8672拒斥供电轨上交流电元素的独特能力,源自於其高速上拉(FPU)与FPD控制策略,还有其强大的闸极驱动能力,而闸极驱动器的动力则来自整合式升压稳压器。相较於电荷泵浦闸极电源解决方案,升压稳压器让LT8672能维持调节後的11伏电压,藉以让外部FET维持启动,并提供极高的闸极流出电流,藉以为高频率交流涟波整流降低切换损耗。


其50毫安培的流出电流能力让系统能以极快速度开启FET,将功耗降至最低;其300毫安培的流入(sinking)电流能力则实现高速关闭功能,将逆电流导通状况减至最低。此外,这样的设计还能大幅降低输出电容中的涟波电流。图6显示叠加後交流电压的典型整流波形。


图6 : LT8672对叠加发电机电压的反应波形.
图6 : LT8672对叠加发电机电压的反应波形.

此外,在相同负载条件下,相较於传统萧特基二极体打造的解决方案,LT8672能更有效降低各种导通损耗。如图7所示的热影像,采用LT8672的解决方案,温度比传统采用二极体的解决方案低了将近摄氏60度。更低的发热不仅改进效率,还省去极占空间的散热片。


图7 : 热温性能比较.
图7 : 热温性能比较.

出现在汽车电子系统输入端的高波峰、窄宽度脉冲通常来自两个来源:


.出现串联或并联电感负载时,切断与输入电源的连结


.负载的切换程序影响到分布电容及电缆线束的电感


这些脉冲中有一部分会出现高电压波峰(peak)。举例来说,ISO 7632-2标准定义的pulse 3a脉冲是一个负峰(negative spike),其波峰电压超过?220 V,而pulse 3b定义的脉冲其最高波峰电压为150伏,高於电池初始电压。虽然它们有相当大的内部阻抗,且维持时间极短,但下游的电子元件一旦看到这些脉冲仍会轻易遭受破坏。


两个妥善规划尺寸的TVS安装在前端,用来抑制这类突波。事实上,由於输入电容以及寄生线路电感的滤波器效应,使得某些低能量脉冲会直接被吸收。



图8 : LV 124规范中定义12伏系统的严重冷启动状况
图8 : LV 124规范中定义12伏系统的严重冷启动状况

多轨稳压器安然渡过各种冷启动事件

LT8602提供精小型解决方案,最多支援4个调节供电轨(例如5V、3.3V、1.8V、1.2V),输入电压范围从5V到42V,相当适合支援在冷启动时无必要启动的功能。另一方面,在冷启动时必须运作的功能━像是火星塞控制器或防盗警报━则适合采用如LT8603这类解决方案,其最低能在3V(或更低)输入电压下运作。


LV 124标准中定义了冷启动的最坏情况,如图8所示。其中最低电池电压会降至3.2伏,在汽车发动时会维持19毫秒。这项规格促使各种应用在面临额外的二极体电压降时,必须在2.5V的低电压下维持运作,包括在传统(非理想二极体)解决方案中从电池正负极反接保护机制下出现电压降低的状况。在被动式二极体保护机制中,可能需要降压-升压稳压器,而不是复杂度较低且更有效率的降压稳压器,用来提供许多微控制器需要的稳定3V电源。


LT8672控制器的最低输入运作电压为3 V VBATT,让主动式整流器能在冷启动脉冲下运作,且输入与输出端之间有最小的压降(20毫伏)。下游的电源供应器在冷启动事件期间会看到不低於3V的输入电压。因此,可采用最低运作电压为3V且具有低压降特性的降压稳压器,像是LT8650S这类元件,可用来产生3伏电源。而和LT8650S一样,许多ADI Power by Linear车用IC的最低输入电压也是3伏。


图9显示内建LT8672以及传统二极体元件的两种1.8伏电源供应器。降压型稳压器最低能在3V电压下运作。如上所述,运用传统二极体时,VIN到降压稳压器後,电压会降至接近2.7V,当电池充电时,电压VBATT会降至3.2 伏,原因是二极体的高电压降,会触发下游切换稳压器关闭UVLO,其1.8V输出也因此停止。相比之下,在冷启动事件中,LT8672的输出维持几近一致,下游的降压稳压器也能维持1.8V输出。


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图9 : 冷启动事件.
图9 : 冷启动事件.

众多关键功能都需要调节後的5V与3.3V供电轨,以及低於2V供电轨,为包括储存资料元件、处理器I/O、以及类比与数位IC中的核心供电。倘若VBATT电压降至低於输出或VIN(MIN),且是直接从VBATT供电,纯降压稳压器就无法维持稳压功能。然而,这类关键功能通常不需要这样的电力,因此业者可采用高度整合的精小型解决方案,如 6 mm × 6 mm 的LT8603四输出/三组单晶升压转换器搭配升压控制器。


LT8603的整合升压控制器最低能在2V电压运作,这项特色让它成为三种降压稳压器的理想预稳压器。图10显示一款支援这类应用、并能耐受冷启动事件的Power by Linear尖端解决方案。两款高电压降压稳压器背後的运作动力为预升压(preboost)转换器。当VBATT降至低於8.5 V以下,升压控制器就会开始切换,输出(OUT4)则被调节至8V。一旦启动後,它能让输出持续调节,输入电压可降至3V。因此,两个高电压降压元件不仅能渡过冷启动状况,还能提供持续5V与3.3V输出,如图11所示。



图10 : 具耐受冷启动能力的 LT8672与 LT8603解决方案能度过各种冷启动事件
图10 : 具耐受冷启动能力的 LT8672与 LT8603解决方案能度过各种冷启动事件

图11 : LT8672 与LT8603的组合产生5V与3.3V的输出电压,能通过各种冷启动事件的考验
图11 : LT8672 与LT8603的组合产生5V与3.3V的输出电压,能通过各种冷启动事件的考验

一旦VBATT从冷启动回复到8.5V以上,升压控制器的行为就会像二极体一样。高电压升压稳压器能支援最高到42V的VBATT电压。低电压降压稳压器是从OUT2汲取电力,在冷启动事件过程中提供1.2V的供电。


超低IQ 延长常时启动系统的运行时间

许多连接至VBATT的常时启动系统,当充饱电後便能支撑数周至数月,而不必再充电,因此在一些状况中,轻负载与无负载的效率会比全负载效率来得更重要。


Power by Linear系列超低静态电流(IQ)元件除了能节省电池电荷之外,还能耐受各种严峻的暂态事件、3V至42V范围极宽的输入电压、以及范围极宽的温度。为优化效率,以及在轻负载与无负载状态下依循相关规范,可采用Burst Mode运行模式。在两次脉冲之间,所有涉及输出开关的电路都会关闭,藉以将输入电源电流降至数微安培。相较之下,一般降压稳压器在无负载时会从VBATT汲取数百微安培的电流,因此消耗电池电力的速度要快上好几个量级。


在特定轻负载模式下,突冲模式的效率主要受到切换损耗所影响,该损耗和切换频率以及闸极电压呈函数关系。由於MOSFET开启与关断所需的能量是固定的,因此维持内部逻辑运作,藉以降低切换频率,即可降低闸极电荷损耗并提高效率。


切换频率主要取决於突冲模式的电流限制、电感值及输出电容等因素。在特定负载电流下,提高突冲电流限制即可在每次切换周期中允许输送更多能量,而相对应的切换频率就会降低。对於特定突冲电流限制,更大的电感储存的能量会高於较小的电感所储存的能量,因此切换频率也会比较低。同样,较大的输出电容能储存更多的能量,放电所需的时间也更长。


图12显示一款解决方案中的超低IQ 同步式降压稳压器LT8650S,该解决方案能在范围极宽的输入电压与负载电流维持高效率。由於整合了MOSFET,因此这款元件能提供最高可达到8安培的输出电流,固定输出电压为3.3V或5V。尽管整体设计与配线很简单,但这款转换器提供了多种选项,能用来在各种电池供电系统中优化特定应用的效能。


图12 : 低 IQ LT8650S维持极高的轻负载效率,支援各种常时启动应用,而且不会汲取大量的电池电力。
图12 : 低 IQ LT8650S维持极高的轻负载效率,支援各种常时启动应用,而且不会汲取大量的电池电力。

适合汽车市场的多款低 IQ 单晶稳压器输入端可支援到42V或65V的电压。这些元件的典型静态电流仅2.5毫安培,背後要归功於ADI开发的低IQ 技术。这些稳压器的最低开启时间仅35奈秒,并能从42V转换成3.3V的输出电压,切换频率为汽车产业常见的2 MHz。


Silent Switcher 系列元件消弭EMI设计的复杂性

许多汽车应用要求系统不得产生电磁杂讯以避免这些杂讯干扰其他汽车系统的正常运作。举例来说,切换开关式电源供应器虽然是高效率的电源转换器,但本身会产生不受欢迎的高频讯号,这些讯号可能影响其他系统的运作。切换开关式稳压器的杂讯一般出现在切换频率以及其谐波。


涟波是在输出与输入电容中的杂讯元素。降低涟波的办法包括采用低ESR与ESL的电容,以及低通LC滤波器。频率较高的杂讯元素,会更难应付,这类杂讯源自於电源MOSFET快速开启与关断。当前设计的焦点大多专注於紧凑的解决方案与高效率,运作切换频率则推近至2 MHz,藉以降低被动元件的尺寸,以及避开可听见的频带。此外,切换暂态时间也降至奈秒的水准,藉以改进效率 - 方法是降低切换损耗以及工作周期损耗。


封装与电路板布线产生的寄生电容与电感在分布杂讯方面扮演着重要的角色,因此一旦出现杂讯就很难消除。EMI规避工作相当复杂,因为切换杂讯从数十MHz一直到GHz频率都可能出现。感测器与其他仪表都会受这些杂讯干扰而导致功能失常,使得出现可听见的噪音或严重的系统失效。因此,业界制定了许多严苛的标准来规范EMI。其中,最常采用的标准是CISPR 25 Class 5,此标准详列了150 kHz至1 GHz频率可接受的上限数据。


要在高电流下通过汽车EMI规范,通常涉及复杂的设计与测试程序,包括在解决方案占用空间、整体效率、可靠度、以及复杂度等因素之间做无数次的取舍。控制EMI的传统作法,是减慢切换边缘或降低切换频率,但代价则是降低效率、开启与关断时间拉长、以及解决方案的体积增大。其他替代办法包括复杂的庞大EMI滤波器、缓冲元件、或金属遮蔽,而其代价便包括了机板空间、零件、组装等成本大幅增加,散热管理与测试的流程也变得更为复杂。


ADI的Silent Switcher技术以创新方式解决EMI问题,在高频率、高功率供电系统中提供令人印象深刻的EMI性能。第二代Silent Switcher 2元件并在封装中加入了热??路电容,以藉此简化机板设计与制造流程。对於如42 V/4 A LT8650S之降压稳压器而言,热??路包含一个输入电容,以及上下切换开关。其他充斥杂讯的??路,包括闸极驱动电路以及升压电容充电电路。在 Silent Switcher 2 元件中,热??路与温(warm)??路电容都整合在封装与配线内,藉以将电磁干扰减至最低程度。这种作法能降低最终机板配线产生的EMI,并简化设计与制造的流程。要进一步降低EMI,可采用内建在这些元件中的选配展频调变功能,让产品更容易通过各种严苛的EMI标准。


图13显示一个专为高低电流应用设计的低IQ、低杂讯解决方案,该方案可支援各种汽车I/O以及周边。前端的LT8672负责保护电路免於遭受各种电池正负极反接失效以及高频率交流涟波等事件所影响,顺向电压降仅数十毫伏。LT8650S元件的切换频率为400kHz,可支援3V至40V的输入电压,在并联双通道模式下能输出8安培的电流。



图13 : LT8672与LT8650S针对高输出电流设计的组态.
图13 : LT8672与LT8650S针对高输出电流设计的组态.

两款解耦合电容可配置在紧靠着LT8650S输入针脚的位置。运用Silent Switcher 2 技术,即使没有安装EMI滤波器也能达到优异的高频EMI性能。这款系统以极大的馀裕幅度通过 CISPR 25 Class 5电磁扰动的高峰与平均限制规范。


图14显示幅射EMI平均测试结果,范围为30 MHz至1 GHz,设定为垂直偏极化。完整解决方案包含简化电路图、最小整体元件数量、紧凑电路空间、以及优异的EMI性能,不会受到机板配置变动的影响(图15)。



图14 : LT8672与 LT8650S EMI性能:30 MHz至1 GHz.
图14 : LT8672与 LT8650S EMI性能:30 MHz至1 GHz.

图15 : 整的电源供应器解决方案,能把输入的汽车电池电力转换後输出3.3V与5V的电压
图15 : 整的电源供应器解决方案,能把输入的汽车电池电力转换後输出3.3V与5V的电压

总结

汽车应用要求低成本、高效能、高可靠性的供电解决方案。如汽车引擎室此类严苛的环境,亦促使着电源供应器的开发业者必须制造出强固的解决方案,并且必须考量各种可能遭遇到的破坏性电子与热温事件。连结12V电池的电路板必须经过审慎设计,以因应高可靠度、精小解决方案尺寸、以及高效能等要求。


Power by Linear元件成员包含许多专为因应各种汽车需求所开发的创新解决方案:其中包括超低静态电流、超低杂讯、低EMI、高效率、精小尺寸下支援极宽运作范围、以及大范围的工作温度。Power by Linear的解决方案不仅消弭复杂性,同时还提升了效能、缩短电源供应器的设计时间、降低解决方案的成本、以及加快产品的上市时程。


(本文作者Bin Wu[1]、Zhongming Ye[2]为美商亚德诺半导体[1]应用工程师、[2]资深应用工程师)


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