AN-2083: 用于车辆跟踪系统的集成电源解决方案

简介

车辆跟踪系统(VTS)通常安装在汽车和卡车中。VTS使用全球定位系统(GPS)等技术提供有关车辆的速度、位置和方向的实时信息。

要确保VTS可靠工作,需要配备稳健的DC-DC电源。电源的设计必须能够防止系统出现常见的汽车故障,如负载突降、冷启动、反极性以及ISO 7637-2和ISO 16750-2中描述的其他具有破坏性的潜在瞬变。

此外,如果车辆掉电,系统必须能够切换至备用电池以确保持续运行。最后,汽车电源必须符合汽车电磁干扰(EMI)标准,特别是CISPR 25的要求。

为了应对这些挑战,ADI公司开发了 EVAL-ADVTS4152-EBZ 电源解决方案,这是一款适用于车辆跟踪系统的高性能、简化电源解决方案。

图 1. EVAL-ADVTS4152-EBZ 电源解决方案评估板

集成解决方案

EVAL-ADVTS4152-EBZ电源解决方案集成三个主模块:LT4356-1 浪涌抑制器、高效 LT8609A 降压稳压器和 LTC4040 电池备用电源管理器。这三个模块相互配合,向VTS等下游电子设备提供可靠高效的电源。

EVAL-ADVTS4152-EBZ与标称12 V或24 V系统兼容,旨在提供输出5 V、3 A连续电流。当汽车电池掉电时,系统会自动从单节锂离子电池(Li-Ion)或磷酸锂铁(LiFePO4)电池切换到备用电源。

图 2. EVAL-ADVTS4152-EBZ 功能框图

表1. EVAL-ADVTS4152-EBZ电气规格
参数 测试条件/注释 最小值 典型值 最大值 单位
输入
工作范围


正浪涌保护
反向保护

适合12 V和24 V电源系统
主电源
电池


6.5
2.7

-40


12 或 24


38
5
200


V
V
V
V
输出
电压
纹波


电流


输出 = 5 V、2 A
主电源12 V(降压模式)
电池3.6 V(升压模式)

4.5



3.842
9.522

5.5



3

V

mV
mV
A
备用电池
工作范围
可选充电电压


锂离子
LiFePO4

2.7


3.95, 4.0, 4.05, 或 4.1
3.45, 3.5, 3.55, 或 3.6

5

V
V
V

浪涌抑制器


要设计一款能够应对高压瞬变的汽车电源极具挑战性,因为需要这样一款器件,既能耗散多余电力,同时不会损坏敏感的电子器件。EVAL-ADVTS4152-EBZ电源解决方案中的LT4356-1浪涌抑制器就可以保护系统免受高压瞬变的影响,在高压瞬变期间仍可持续运行。

LT4356-1驱动一个作为调整管的外部N沟道、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(参见图3)。在正常工作模式下,LT4356-1使MOSFET完全开启,并提供从输入到下游负载的低阻抗路径。如果输入电压浪涌过高,LT4356-1就会控制MOSFET的栅极,并将输出电压调节至由OUT引脚到地之间的R33和R34电阻分压器设定的安全电压电平。MOSFET保持开启状态,直到接地的TMR引脚处连接的电容电荷(CTMR)达到1.35 V。此时,GATE引脚拉低,使MOSFET关闭。

图 3. LT4356-1 浪涌抑制器

负载突降

负载突降是高压瞬变的一个示例。当交流发电机在汽车电池充电期间与电池断开连接,造成电压浪涌时,就会发生负载突降。EVAL-ADVTS4152-EBZ使用LT4356-1浪涌抑制器保护敏感的汽车电子部件,可避免这种瞬态情况的影响。

测试设置

我们使用DC1950A负载突降生成器生成负载突降测试脉冲,并通过EVAL-ADVTS4152-EBZ 输入传送。然后在EVAL-ADVTS4152-EBZ的输出施加一个1 A恒流负载。图4显示负载突降测试设置。

图 4. 负载突降测试设置

如图5所示,实际浪涌波形显示在通道2 (C2),浪涌电压为105.6 V,衰减约400 ms。输出电压保持在5 V,显示在通道3 (C3),表示电源未中断。在图5中,LT4356-1响应也显示在通道1 (C1)。波形中的平坦区域表明芯片正在将电压调节到所需的38 V钳位电压(见图5)。

图 5.EVAL-ADVTS4152-EBZ在高瞬态电压下的响应

降压稳压器


将LT4356-1的输出连接到LT8609A高效率降压稳压器的输入(见图6)。LT8609A具有3.0 V~42 V的宽输入范围。RT和地之间连接一个电阻,用于设置开关频率。用户通过SYNC引脚使能扩频调制,以实现低EMI运行。

图 6. LT8609A 降压稳压器

电池备用电源管理器


为确保VTS连续工作,还必须提供一个备用电源,在汽车电池掉电时供电。EVAL-ADVTS4152-EBZ有一个LTC4040高电流、升压DC-DC稳压器,通过单节锂离子电池或LiFePO4电池提供备份电源(见图7)。

当LT4356-1的输出降至1.2 V电源失效输入(PFI)阈值以下时,2.5 A升压稳压器通过备用电池向下游负载供电。

图 7. LTC4040 电池备用电源管理器

正常模式到备用电池模式

为了仿真掉电情况,断开EVAL-ADVTS4152-EBZ输入端的电源,查看从正常工作模式到备用电池模式的过渡波形。图9显示了测试设置。该仿真测试还显示了EVAL-ADVTS4152-EBZ如何在冷启动等欠压瞬变情况下继续运行。

在图8中,标称12 V输入显示在通道1 (C1)。通道3 (C3)中显示的系统输出表明,当12 V输入下降时,5 V输出未中断。此结果也表明在冷启动瞬变情况下,EVAL-ADVTS4152-EBZ仍可连续运行。

图 8. EVAL-ADVTS4152-EBZ 在掉电情况下的响应 (VIN = 12 V 和 VOUT = 5 V)

图 9. 掉电情况仿真测试设置

选择电池充电电压

当汽车电池电源可用时,升压稳压器将作为降压电池充电器反向运行。充电电压可根据电池类型通过用户可选引脚配置。LTC4040为两种化学电池(锂离子电池和LiFePO4)各提供四种不同的充电电压选项,这些选项可通过S1、S2和S3滑动开关输入进行选择。表2显示了为两种电池选择充电电压的开关配置。

表2. 备用电池的充电电压设置
电池类型 开关设置 最小值 典型值 最大值 单位
电池调节输出电压
用于LiFePO4选项



用于锂离子电池选项

S1 = 0, S2 = 0, S3 = 0
S1 = 0, S2 = 1, S3 = 0
S1 = 0, S2 = 0, S3 = 1
S1 = 0, S2 = 1, S3 = 1
S1 = 1, S2 = 0, S3 = 0
S1 = 1, S2 = 1, S3 = 0
S1 = 1, S2 = 0, S3 = 1
S1 = 1, S2 = 1, S3 = 1

3.42
3.47
3.52
3.57
3.92
3.97
4.02
4.07

3.45
3.50
3.55
3.60
3.95
4.00
4.05
4.10

3.48
3.53
3.58
3.63
3.98
4.03
4.08
4.13

V
V
V
V
V
V
V
V

热关断配置


如果需要防止异常高的直流电压,EVAL-ADVTS4152-EBZ还有一个可选的ADT6401 引脚可选温度开关,可用于提供过温保护。有关基准电压源的详情,请参见 EVAL-ADVTS4152-EBZ, UG-1916 中的ADT6401原理图。

预合规测试

ISO 7637-2:2011和ISO 16750-2:2012标准


ISO 7637-2:2011和ISO 16750-2:2012标准描述了可能的瞬变情况并指定了瞬变仿真测试方法。需要满足的测试要求如图10所示,供参考。

图 10. ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 测试要求

CISPR 25电磁辐射和传导辐射


CISPR 25是一项汽车标准,针对车载接收机规定了防电磁辐射和传导辐射保护要求。图11和图12显示了EVALADVTS4152-EBZ的辐射EMI性能。图13和图14显示了传导EMI性能。图11至图14中的红线表示CISPR25 5类电磁辐射和传导辐射峰值限值。

图 11. 辐射 EMI 性能,水平极化

图 12. 辐射 EMI 性能,垂直极化

图 13. 传导 EMI 性能,正极性

14. 传导 EMI 性能,负极性

作者

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Celso Aron

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Dominic Clavillas

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Jardine Penaflor