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用于车辆跟踪系统的集成电源解决方案

时间：2021-05-13 14:15来源：ADI公司

摘要：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ISO7637-2和ISO16750-2中描述的其他具有破坏性的潜在瞬变。

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 适合12 V和24 V电源系统        
  主电源 6.5 12或24 38 V
  电池 2.7   5 V
正浪涌保护       200 V
反向保护   -40     V
输出          
电压   4.5   5.5 V
纹波 输出 = 5 V、2 A        
  主电源12 V（降压模式）   3.842   mV
  电池3.6 V（升压模式）   9.522   mV
电流       3 A
备用电池          
工作范围   2.7   5 V
可选充电电压 锂离子   3.95、4.0、4.05或4.1   V
  LiFePO4   3.45、3.5、3.55或3.6   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。
 
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3.LT4356-1浪涌抑制器
 
 
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。
 
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6.LT8609A降压稳压器
 
 
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）
 
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。
 
 
图9.掉电情况仿真测试设置
 
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 S1 = 0, S2 = 0, S3 = 0 3.42 3.45 3.48 V
  S1 = 0, S2 = 1, S3 = 0 3.47 3.50 3.53 V
  S1 = 0, S2 = 0, S3 = 1 3.52 3.55 3.58 V
  S1 = 0, S2 = 1, S3 = 1 3.57 3.60 3.63 V
用于锂离子电池选项 S1 = 1, S2 = 0, S3 = 0 3.92 3.95 3.98 V
  S1 = 1, S2 = 1, S3 = 0 3.97 4.00 4.03 V
  S1 = 1, S2 = 0, S3 = 1 4.02 4.05 4.08 V
  S1 = 1, S2 = 1, S3 = 1 4.07 4.10 4.13 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EVAL-ADVTS4152-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
 
 
图14.传导EMI性能，负极性
 
 
参考文献
LT4356-1数据手册。ADI公司。
LT8609A数据手册。ADI公司。
LTC4040数据手册。ADI公司。
EVAL-ADVTS4152-EBZ电源解决方案用户指南(UG-1916)。ADI公司。
 
2019年8月，《模拟对话》第53卷，适用于恶劣汽车环境的综合电源系统设计占用极小空间，节省电池电量，并提供低EMI特性。ADI公司。
 
技术文章，低静态电流浪涌抑制器：符合ISO 7637-2和ISO 16750-2要求的可靠汽车电源保护。ADI公司。
 
 
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