車載導航設計之電源

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,車載導航設計之電源,汽車電子硬件部：趙寬安,車載導航設計之電源,一、概述,二、汽車電源的特點,三、電源輸入部分電路分析,四、輸入電壓欠壓保護電路分析,五、線性穩(wěn)壓電源,六、降壓型開關穩(wěn)壓電源,七、升壓型開關穩(wěn)壓電源,一、概述,我們都知道車載導航應用場合比較特殊、車廠對車載電子產(chǎn)品的質(zhì)量要求較高、此次交流將針對車機產(chǎn)品的特殊要求，結(jié)合公司目前的設計，講解車載導航電源的設計要求，電路的工作原理，關鍵器件的參數(shù)選擇，,LAYOUT,原則以及調(diào)試注意事項。,二、汽車電源的特點,1.,正常工作電壓波動范圍大，工作電壓

2、：,916V,2.,汽車上設備的啟動、停止等狀態(tài)時，造成較高的尖峰脈沖，詳見車廠相關標準,3.,汽車長時間停放在室外，溫度變化范圍較寬，儲存溫度：,-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、輻射）,6.,較低的待機功耗要求,7.,工作時振動等級高,三、電源輸入部分電路分析,1.,功能,電源防反接保護,瞬態(tài)脈沖抑制（輸 入過壓保護）,傳導騷擾抑制,抗啟動干擾,輸入電源濾波,2.,設計注意事項,保險絲：注意熔斷閥值電流大于機器最大工作電流，如果采用自恢復保險絲，還需考慮其穩(wěn)度特性及耐壓。,TVS,管：根據(jù)車

3、廠,CI,要求的等級，選擇合適功率的,TVS,管，同時注意其閥值電壓不能超過后面其它器件的耐壓,二級管：考慮后級電路工作電流,電感：考慮電感量及額定電流，注意磁環(huán)的材質(zhì)，目前已知的非晶電感不能通過實驗室疊加交流電測試。,電容：耐壓、容量、工作溫度及電容的等效串聯(lián)電阻（直接影響到傳導騷擾的性能）,3.LAYOUT,注意事項,自恢復保險絲盡量遠離熱源,電源輸入經(jīng)過保險絲后首先經(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計，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

4、）注意打膠固定,四、輸入電壓欠壓保護電路分析,1.,功能,保證不消耗掉汽車點火電壓,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)后能自動重置。,2.,設計注意事項,電阻：采樣盡量選用精密電阻，以保證誤差不會太大，如果是在常電上取樣，還需考慮待機功耗和驅(qū)動電流是否符合要求。,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（當輸入電壓,Ui2.5V,時，輸出,U,。,=2V;Ui2.5V,時，輸出,U,。,=Ui,）,三極管：注意三級管的溫度特性（高溫導通閥值降低），設計時需留夠充足的余量。,IMP809,：電壓低到一定狀態(tài)下，芯片不在工作，這個時候的狀態(tài)維持由輸出外圍電阻保

5、持。,五、線性穩(wěn)壓電源,1.,線性穩(wěn)壓電源的特點,優(yōu)點：成本低、輸出紋波小、瞬態(tài)響應特性好，無,EMI,（電磁干擾）問題，外圍器件少，,PCB,面積小。,缺點：效率低、功耗大,應用場合：低壓差、輕負載，對紋波要求較高的場合。,1.,線性穩(wěn)壓電源工作原理,通過負反饋調(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。當輸出電壓,Uout,降低時，基準電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅(qū)動電壓增加，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

6、過所需要的設定值，比較放大器輸出的驅(qū)動電壓減小，從而使輸出電壓降低。,2.,線性穩(wěn)壓電源應用,傳統(tǒng)型線性穩(wěn)壓電源：達林頓管,低壓差線性穩(wěn)壓電源（,LDO,）：,PNP,、,PMOS,、,NMOS,3.,線性穩(wěn)壓電源設計注意事項,穩(wěn)壓芯片：,輸入電壓,-,不能超過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,，保證車機在高溫環(huán)境下結(jié)溫不超標，且需考慮一定余量,芯片的靜態(tài)功耗,-,有些線性穩(wěn)壓電源在機器休眠時還要工作，此時就要注意這項參數(shù)了。例如,78M05,在,12V,供電不

7、帶任何負載時輸入電流大概有,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,對輸出電容的,ESR,要求較高，如,AP1117,六、降壓型開關穩(wěn)壓電源,1.,降壓開關穩(wěn)壓電源的特點,優(yōu)點：高轉(zhuǎn)換效率、高輸出電流、低靜態(tài)電流、寬輸入電壓范圍。,缺點：相對成本較高、輸出紋波大、,EMI,性能較差，占,PCB,面積較大。,應用場合：高壓差、大電流，對紋波要求不高的場合。,2.,工作原理,在開關,S,導通時，輸入電源跟負載供電的同時，向,L,、,C,儲能，在開關,S,斷開時由,L,、,C,釋放能量給負載供電,Buck,

8、電路,（降壓斬波電路）,關鍵器件的特性,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.,降壓開關電源應用,4.,電源的工作模式,CCM,、,BCM,、,DCM,：,CCM,：,Continous Conduction Mode,連續(xù)導通模式,BCM,：,Boundary Conduction Mode,臨界導通模式,DCM,：,Discontinous Conducion Mode,斷續(xù)導通模式,CCM,特點：電流尖峰較小，同等電容的狀態(tài)下輸出紋波紋波小。同時對開關管的耐電流能力要求較低。,DCM,特點：瞬態(tài)響

9、應快，負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,電流關斷，所以尖峰電壓更小，損耗更低。,CCM,：,I,L,I,L,/2,BCM,：,I,L,=,I,L,/2,DCM,：,I,L,I,L,/2,L:,最小電感量，單位,HV,IN(MAX),:,最大輸入電壓，單位,VV,OUT(MAX),:,最大輸出電壓，單位,V,I,L,:,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%*IOUT_max,范圍內(nèi)。,F,OSC,:,開關頻率，單位,Hz,5.,關鍵器件的選型及注意事項,開關儲能電感：利用“電感的電磁特性”實現(xiàn)儲能，利用

10、“電感電流不能突變”的原則實現(xiàn)濾波，電感在,BUCK,電路中應用時需特別關注“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)響應速度，過小會導致輸出紋波偏大，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算值的一個常規(guī)電感，具體的計算公式如下：,開關電感的額定電流：一般情況下，所選用的電感飽和電流的最小值應為電感峰值電流的,1.251.5,倍，峰值電流的計算公式如下：,電感的耗散功率（其中,DCR,為電感的直流電阻）：,輸入濾波電容：抑制開關電路工作時造成的紋波，使開關電路工作穩(wěn)定，同時避免干擾信號串入電源。電容的選型主要需考慮電容的容量及有效紋波

11、電流。基于此兩項考慮，輸入電容一般選低,ESR,的陶瓷電容或者是多個電容并聯(lián)以降低,ESR,。,輸入電容容量的選擇：,C,IN(MIN),:,最小電容量，單位,FV,PP,:,紋波電壓，單位,VI,O,:,輸出電流，單位,AESR:,電容的等效串聯(lián)電阻，單位,fs:,開關頻率，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,VOUT=VIN/2,時，為最嚴酷的條件，此時的公式,I,RMS,=I,OUT,/2,，我們一般按此公式取值。,輸出電容容量的選擇：,C,OUT,:,輸出最小容量，單位,F,I,LOAD,:,瞬態(tài)負載電流，單位,AV,DRO

12、OP,:,瞬態(tài)塌陷電壓，單位,Vfs:,開關頻率，單位,HZ,輸入電容的,ESR,選擇（,V,O,為輸出紋波電壓）：,輸出紋波的計算,續(xù)流二極管的選擇：在開關關斷期間為儲能電感提供能量釋放通道，考慮到開關電源的轉(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,的電流值選對應的二級管，同時需考慮二級管的耗散功率是否滿足高溫環(huán)境下正常工作：,TJ,VF*IO*,Rja+TA,開關芯片的選擇：輸入電壓范圍，輸出電流，開關頻率，轉(zhuǎn)換效率需滿足電路需求。另外需注意芯片的損耗，,BUCK,電路芯片的損耗主要來自,MOS

13、,管導通損耗、開關損耗及場效應管的,柵極損耗等，以下為,TPS54331,芯片功耗及結(jié)溫的計算公式：,6.BUCK,穩(wěn)壓電源,LAYOUT,輸入電容緊靠芯片管腳，續(xù)流二級管,、儲能電感緊靠芯片管腳放置，避免開關節(jié)點走線太長造成干擾及損耗，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離開關節(jié)點及電感。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，有些應用還會增加“前饋電容”，目的是為了優(yōu)化瞬態(tài)響應

14、。反饋電阻選用精度,1%,的電阻，保證輸出精度不超過計算值的,2%,，電阻取值在某些應用時取值不宜過小，以保證低靜態(tài)電流。,BUCK,的電壓輸出公式如下：,七、升壓型開關穩(wěn)壓電源,1.,工作原理,在開關,S,導通時，二級管,D,截止，負載供電由電容提供，同時電感完成儲能，當開關,S,斷開時，電感上的能量通過二級管向電容及負載釋放。,BOOST,電路,（升壓開關電路）,BOOST,電路特點,如果工作在,CCM,模式，電感上始終有電流，相對來說對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。,2.BOOST,電路（升壓開關電路）應用,3.,關鍵器件的選型：,電源

15、反饋部分器件的選擇：穩(wěn)定輸出電壓,/,電流，過壓保護。反饋電阻選用精度,1%,的電阻，以保證相應電壓,/,電流精度。電阻取值在某些應用時取值不宜過小，以保證低靜態(tài)電流。,儲能電感的感量選擇：,開關儲能電感的占空比：,D=(V,OUT,+V,D,-V,IN,)/(V,OUT,+V,D,)V,D,:,二極管導通壓降,電感量選擇：,V,LON,V,IN,V,SW,V,IN,V,LOFF,V,OUT,V,D,VI,N,V,OUT,V,IN,I,L,Io/,（,1,D,）,L,V,LO,（,1,D,）,/(r*f*I,L,),V,LON,D/(r*f*I,L,),L,：電感感量，單位,H V,LON,:,開關,S,導通時電感上的電壓,單位,VV,LOFF,:,開關,S,斷開時電感上的電壓,單位,V I,L,:,流經(jīng)電感的平均電流,r:,電流紋波率（,r,I/IL,），通常取,0.20.3,之間之間,f,：開關頻率，單位,HZ,儲能電感的額定電流：,一般情況下，所選用的電感飽和電流的最小值應為電感峰值電流的,1.251.5,倍，峰值電流的計算公式如下：,IPK,IDC,IAC,（,1,r/2,）,IDC r,I/I,L,（,Vo,V,IN,）,（,1,D,）,/L f I,L,輸出電容的容量選擇：,輸出電容的,ESR,要求：,謝謝,