用於車輛追蹤系統的整合電源解決方案

作者:ADI Celso Aron, Dominic Clavillas, 和 Jardine Penaflor


簡介

車輛追蹤系統(VTS)通常安裝在汽車和卡車中,透過全球定位系統(GPS)等技術提供有關車輛的速度、位置和方向的即時資訊。

要確保VTS可靠工作,需要配備穩健的DC-DC電源。電源的設計必須能夠防止系統出現常見的汽車故障,如負載突降、冷啟動、反極性以及ISO 7637-2和ISO 16750-2中描述的其他具有破壞性的潛在瞬變。

此外,如果車輛掉電,系統必須能夠切換至備用電池以確保持續運行。最後,汽車電源必須符合汽車電磁干擾(EMI)標準,特別是CISPR 25的要求。

為了因應這些挑戰,ADI開發了 EVAL-ADVTS4152-EBZ 電源解決方案,這是一款適用於車輛追蹤系統的高性能、簡化電源解決方案。

 

Figure 1. EVAL-ADVTS4152-EBZ Power Supply Solution Evaluation Board
圖 1. EVAL-ADVTS4152-EBZ 電源解決方案評估板

 

整合解決方案

EVAL-ADVTS4152-EBZ電源解決方案整合三個主模組: LT4356-1 湧浪抑制器、高效 LT8609A 降壓穩壓器和 LTC4040 電池備用電源管理器。這三個模組相互配合,向VTS等下游電子設備提供可靠高效的電源。

EVAL-ADVTS4152-EBZ與標準12 V或24 V系統相容,目的在提供輸出5 V、3 A連續電流。當汽車電池掉電時,系統會自動從單節鋰離子電池(Li-Ion)或磷酸鋰鐵(LiFePO4)電池切換到備用電源。

 

Figure 2. EVAL-ADVTS4152-EBZ Functional Block Diagram
圖 2. EVAL-ADVTS4152-EBZ 功能框圖

 

表1. EVAL-ADVTS4152-EBZ電氣規格
參數 測試條件/注釋 最小值 典型值 最大值 單位
輸入
工作範圍


正湧浪保護
反向保護

適合12 V和24 V電源系統
主電源
電池


6.5
2.7

-40


12 或 24


38
5
200


V
V
V
V
輸出
電壓
漣波


電流


輸出 = 5 V、2 A
主電源12 V(降壓模式)
電池3.6 V(升壓模式)

4.5



3.842
9.522

5.5



3

V

mV
mV
A
備用電池
工作範圍
可選充電電壓


鋰離子
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

湧浪抑制器


要設計一款能夠因應高壓瞬變的汽車電源極具挑戰性,因為需要這樣一款元件,既能耗散多餘電力,同時不會損壞敏感的電子元件。EVAL-ADVTS4152-EBZ電源解決方案中的LT4356-1湧浪抑制器就可以保護系統免受高壓瞬變的影響,在高壓瞬變期間仍可持續運行。

LT4356-1驅動一個作為調整管的外部N通道、金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)(參見圖3)。在正常工作模式下,LT4356-1使MOSFET完全開啟,並提供從輸入到下游負載的低阻抗路徑。如果輸入電壓湧浪過高,LT4356-1就會控制MOSFET的閘極,並將輸出電壓調節至由OUT接腳到地之間的R33和R34電阻分壓器設定的安全電壓位準。MOSFET保持開啟狀態,直到接地的TMR接腳處連接的電容電荷(CTMR)達到1.35 V。此時,GATE接腳拉低,使MOSFET關閉。

 

Figure 3. LT4356-1 Surge Stopper
圖 3. LT4356-1 湧浪抑制器

 

負載突降

負載突降是高壓瞬變的一個示例。當交流發電機在汽車電池充電期間與電池斷開連接,造成電壓湧浪時,就會發生負載突降。EVAL-ADVTS4152-EBZ使用LT4356-1湧浪抑制器保護敏感的汽車電子零件,可避免這種瞬態情況的影響。

測試設定

我們使用DC1950A負載突降產生器產生負載突降測試脈衝,並透過EVAL-ADVTS4152-EBZ 輸入傳送。然後在EVAL-ADVTS4152-EBZ的輸出施加一個1 A恆流負載。圖4顯示負載突降測試設定。

 

Figure 4. Test Setup for a Load Dump Condition
圖 4. 負載突降測試設定

 

如圖5所示,實際湧浪波形顯示在通道2 (C2),湧浪電壓為105.6 V,衰減約400 ms。輸出電壓保持在5 V,顯示在通道3 (C3),表示電源未中斷。在圖5中,LT4356-1回應也顯示在通道1 (C1)。波形中的平坦區域顯示晶片正在將電壓調節到所需的38 V鉗位電壓(見圖5)。

 

Figure 5. EVAL-ADVTS4152-EBZ Response During a High Transient Voltage
圖 5.EVAL-ADVTS4152-EBZ在高瞬態電壓下的回應

 

降壓穩壓器


將LT4356-1的輸出連接到LT8609A高效率降壓穩壓器的輸入(見圖6)。LT8609A具有3.0 V~42 V的寬廣輸入範圍。RT和地之間連接一個電阻,用於設定切換頻率。使用者透過SYNC接腳使能擴頻調變,以實現低EMI運行。

 

Figure 6. LT8609A Step-Down Regulator LT8609A
圖 6. LT8609A 降壓穩壓器

 

電池備用電源管理器


為確保VTS連續工作,還必須提供一個備用電源,在汽車電池掉電時供電。EVAL-ADVTS4152-EBZ有一個LTC4040高電流、升壓DC-DC穩壓器,透過單節鋰離子電池或LiFePO4電池提供備份電源(見圖7)。

當LT4356-1的輸出降至1.2 V電源失效輸入(PFI)閾值以下時,2.5 A升壓穩壓器透過備用電池向下游負載供電。

 

Figure 7. LTC4040 Battery Backup Power Manager
圖 7. LTC4040 電池備用電源管理器

 

正常模式到備用電池模式

為了模擬掉電情況,斷開EVAL-ADVTS4152-EBZ輸入端的電源,查看從正常工作模式到備用電池模式的轉換波形。圖9顯示了測試設定。該模擬測試還顯示了EVAL-ADVTS4152-EBZ如何在冷開機等欠壓瞬變情況下繼續運行。

在圖8中,標準12 V輸入顯示在通道1 (C1)。通道3 (C3)中顯示的系統輸出顯示,當12 V輸入下降時,5 V輸出未中斷。此結果也顯示在冷開機瞬變情況下,EVAL-ADVTS4152-EBZ仍可連續運行。

 

Figure 8. EVAL-ADVTS4152-EBZ Response During Brownout Conditions
圖 8. EVAL-ADVTS4152-EBZ 在掉電情況下的回應 (VIN = 12 V 和 VOUT = 5 V)

 

 

Figure 9. Brownout Conditions Simulation Test Setup
圖 9. 掉電情況模擬測試設定

 

選擇電池充電電壓

當汽車電池電源可用時,升壓穩壓器將作為降壓電池充電器反向運行。充電電壓可根據電池類型透過使用者可選接腳配置。LTC4040為兩種化學電池(鋰離子電池和LiFePO4)各提供四種不同的充電電壓選項,這些選項可透過S1、S2和S3滑動開關輸入進行選擇。表2顯示了為兩種電池選擇充電電壓的開關配置。

表2. 備用電池的充電電壓設定
電池類型 開關設定 最小值 典型值 最大值 單位
電池調節輸出電壓
用於LiFePO4選項



用於鋰離子電池選項

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

熱關斷配置


如果需要防止異常高的直流電壓,EVAL-ADVTS4152-EBZ還有一個可選的 ADT6401 接腳可選溫度開關,可用於提供過溫保護。有關基準電壓源的詳情,請參見 EVAL-ADVTS4152-EBZ, UG-1916 中的ADT6401原理圖。

預合規測試

ISO 7637-2:2011和ISO 16750-2:2012標準


ISO 7637-2:2011和ISO 16750-2:2012標準描述了可能的瞬變情況並指定了瞬變模擬測試方法。需要滿足的測試要求如圖10所示,供參考。

 

Figure 10. ISO 7637-2 and ISO 16750-2 Test Requirements
圖 10. ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 測試要求

 

CISPR 25電磁輻射和傳導輻射


CISPR 25是一項汽車標準,針對車載接收機規定了防電磁輻射和傳導輻射保護要求。圖11和圖12顯示了EVALADVTS4152-EBZ的輻射EMI性能。圖13和圖14顯示了傳導EMI性能。圖11至圖14中的紅線表示CISPR25 5類電磁輻射和傳導輻射峰值限值。

 

Figure 11. Radiated EMI Performance, Horizontal Polarization
圖 11. 輻射 EMI 性能,水平極化

 

 

Figure 12. Radiated EMI Performance, Vertical Polarization
圖 12. 輻射 EMI 性能,垂直極化

 

 

Figure 13. Conducted EMI Performance, Positive Polarity
圖 13. 傳導 EMI 性能,正極性

 

 

Figure 14. Conducted EMI Performance, Negative Polarity
圖14. 傳導 EMI 性能,負極性