前端“預升壓” 美信車載電源系統供電設計

來源：Maxim  作者：Andrea Longobardi2013年09月22日 10:23

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[導讀] 隨著汽車啟停技術（空閑狀態自動關閉引擎）應用的普及，越來越多的車載系統要求能夠工作在較低的輸入電壓。本文舉例說明用于汽車收音機和娛樂系統供電的8V中等電壓開關電源。此設計可以接受任何汽車工作條件下的輸入電壓范圍（包括冷啟動、拋負載等），保證穩定的8V輸出，為常見的娛樂設施子系統（如CD驅動器、LCD顯示器和收音機模塊）供電。為了避免干擾AM/FM頻段，開關電源工作在2MHz開關頻率，非常適合車載應用。

關鍵詞：MAX16952MAX150052Mhz美信開關電源

　　簡介

　　隨著汽車啟停技術（空閑狀態自動關閉引擎）應用的普及，越來越多的車載系統要求能夠工作在較低的輸入電壓，低壓輸入往往發生在熱啟動（電池電壓低于6V）或冷啟動（電池電壓低于3V）條件下。圖1介紹了常見的汽車系統供電架構方案。

　　在一些主電源為3.3V的供電系統中，前端采用低壓差的buck轉換器即可滿足要求（CASE 1）。需要時，可以選擇一路boost轉換器將3.3V升壓到5V （例如為CAN總線收發器供電）或更高電壓（CASE2）。有些系統采用5V或更高電壓供電，此時需要在前端進行“預升壓”，保證buck的輸入電壓不會低于指定電壓（CASE 3），本設計適用于后者。

　　圖1. 汽車電源方案。

　　汽車設計中，低電磁輻射也是一項重要的考核指標，特別是在敏感的AM頻段。本設計中，電源的開關工作頻率遠高于AM頻段（例如：開關頻率在1.71MHz以上，位于MW頻段的高端），進而解決了干擾問題。較高的開關頻率也有助于減少系統尺寸，降低外圍元件的成本。

　　圖2是開關電源的原理圖，MAX15005升壓控制器與MAX16952降壓控制器相組合，配合外圍電路提供合理的車載系統供電方案。兩款IC均同步到控處理器或專用IC提供的外部2MHz時鐘，便于優化電源的開關頻率。電池正常供電的條件下，MAX15005不工作，通過MAX16952提供穩定的8V OUTB電壓。冷啟動時，由于電池電壓降低，則通過MAX15005提升節點OUTA的電壓，確保MAX16952提供穩定的8V OUTB電壓。兩款IC的高可靠性，可以滿足汽車環境中高達40V的拋負載。該方案已經通過測試，在OUTB節點提供高達20W的輸出功率 （8V@2.5A）。更換外圍電路，可以獲得更高的輸出功率。

　　圖2. 開關電源原理圖。

　　MAX16952的外圍元件

　　1、輸出電壓和開關頻率

　　為了在OUTB端獲得穩定的8V輸出，需要合理選擇反饋分壓電阻（R22和R21）。選擇R22 = 51KΩ （MAX16952數據資料推薦低邊電阻R22 < 100kΩ），R21根據下式計算：

　　（式1）

　　式中，VFB = 1V （典型值）。

　　選擇標準阻值R22 = 360kΩ ，典型輸出電壓為：

　　（式2）

　　假設阻值誤差為1%，最小和最大OUTB輸出電壓為：

　　（式3）

　　（式4）

　　其中，VFB（MIN） = 0.985V，VFB（MAX） = 1.015V。

　　按照規格書推薦，外部時鐘頻率必須高于MAX16952內部時鐘頻率的1.1倍。由于我們采用2MHz外部時鐘同步MAX16952的開關頻率，須合理選擇內部振蕩器阻抗R16，控制內部開關頻率《1.8MHz。本設計中，R16選擇為30kΩ。為確保MAX16952開關頻率固定在2MHz，必須避免發生電壓跌落。MAX16952只有在關斷時間（tOFF）》100ns （典型值）時，才可避免電壓跌落的情況，這意味著系統不能超出最大占空比：

　　（式5）

　　考慮到降壓轉換器的效率為90%，保證工作在2MHz固定開關頻率的最小輸入電壓（OUTA）是：

　　（式6）

　　這意味著OUTA電壓不能低于11.11V閾值。為保證OUTA電壓始終高于11.11V，當電池電壓（IN節點）低于11.5V時，需要開啟MAX15005工作（考慮到L1、D2肖特基二極管的壓降，留出大約390mV的裕量）。

　　達到40V拋負載峰值電壓時，OUTA達到其高壓點，MAX16952必須將輸出電壓穩定在8V。因此，發生拋負載期間，MAX16952占空比為：

　　（式7）

　　MAX16952的最小開啟時間（tON）為80ns，因此最小占空比（2MHz開關頻率下）為：

　　（式8）

　　0.16最小占空比可確保拋負載條件下（輸入電壓高達40V時）提供穩定的8V輸出。

　　2、電感和電流檢測

　　圖3. MAX16952電感電流。

　　使用大電感可以降低電感電流峰值，提高降壓轉換器的效率；但也占用更大的電路板（PCB）面積，降低負載調整率。一種可以接受的折中方法是選擇適當的電感值，使LIR （電感AC電流峰-峰值與DC平均電流的比值） ≤ 0.3。基于圖3，利用下式計算：

　　（式9）

　　（式10）

　　（式11）

　　根據以上方程組，可以得到電感計算公式：

　　（式12）

　　由此，常規條件下（OUTA = 12V）滿足LIR ≤ 0.3的最小電感值為：

　　（式13）

　　選擇標準電感L2 = 2.2μH，LIR = 0.24，電感峰值電流為：

　　（式14）

　　當測流電阻R20的電壓達到68mV （最小值）時，達到電流上限。為了留出一定裕量，選擇檢流電阻時，應使電感電流達到峰值（IPEAK）時，檢流電阻的壓降是電流門限的60%：

　　（式15）

　　R20選擇為15mΩ標準電阻。

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本文導航

• 第 1 頁：前端“預升壓” 美信車載電源系統供電設計

• 第 2 頁：MAX15005的外圍元件

• 第 3 頁：實驗室測試

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