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适用于汽车无线电系统AM和FM波段的低噪声开关电源

作者:时间:2013-05-29来源:网络收藏

引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/175150.htm

随着汽车启停技术(引擎空闲时自动关闭)应用的日益广泛,越来越多的汽车系统必须工作在低输入电压。热启动(此时电池电压可下降达6V)和冷启动(此时电池电压可下降达3V)期间,会发生此类低输入电压。本文介绍可承受汽车全输入电压范围(包括冷启动和抛负载条件)的中间电压8V开关保证为常见子系统提供稳定的8V,例如CD、LCD,以及现代信息娱乐系统中的无线电模块。为避免AM和FM波段干扰,开关电源工作在2MHz固定频率,成为无线电系统的理想方案。

低输入电压功能的重要性及EMI要求

图1所示为要求不同架构方案的常见汽车系统。

主电源为3.3V的系统中,具有低压差的前端降压就可以满足要求(情形1)。此外,升压可工作在3.3V,能够调节到5V(例如用于CAN总线收发器)或其它更高电压(情形2)。工作在5V或更高电压轨的系统要求前端“预升压”,以确保降压的输入电压不会下降至规定电压以下(情形3)。

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图1 汽车电源解决方案

低电磁辐射(EMI)也是对汽车电源的一项关键要求,尤其在敏感的AM波段。这里所介绍设计的开关工作在AM波段以上,即保证频率高于1.71MHz(中波的上段),满足这一要求,使开关工作在高频还可减小外部无源元件的尺寸和成本。

汽车开关电源的关键设计参数

图2所示为开关电源原理图。该电源包括4.5V至40V升压控制器(IC1)和36V降压控制器(IC2),以及实现正常工作的附加电路。两片IC与外部2MHz方波逻辑信号同步,该信号由微控制器或专用IC提供。这种方法使得在为电源选择最优开关频率时具有很大灵活性。电池在正常工作期间,禁止IC1、IC2调节器将OUTB节点电压稳定在8V。电池电压在冷启动期间下降时,使能IC1,将OUTA节点的电压升高。这允许IC2将OUTB节点的电压稳定在8V。由于两片IC的高可靠性,整个设计可承受高达40V的汽车抛负载。系统经过配置并测试,其主输出(OUTB)可提供20W功率(8V@2.5A),修改外部元件后甚至可提供更高输出功率。(参见下文中关于IC1和IC2的最优外部元件的讨论。)

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图2 开关电源原理图中包括升压控制器(IC1,MAX15005)和降压控制器(IC2,MAX16952)

外部元件优化IC2性能

输出电压和开关频率

为了在OUTB节点调节8V电压,必须选择正确的反馈电阻分压器(由电阻R22和R21组成)。注意,IC2的数据资料建议低边电阻小于100k。为R22选择51k低边电阻分压器,必须根据式1选择高边电阻分压器:

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(式1)

式中,VFB = 1V (典型值)。

为R21选择标准电阻值360k,产生的典型输出电压值为:

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(式2)

假设电阻容限为1%,整个开关电源的最小和最大电压值(OUTB)为:

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(式3)

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(式4)

式中,VFB(MIN)为0.985V,VFB(MAX)为1.015V。

根据数据资料建议,外部频率必须高于IC内部所选频率的110%。由于我们将IC2的开关频率与外部2MHz信号同步,所以我们所选内部振荡器电阻R16必须将内部开关频率设定在低于1.8MHz。出于这一原因,我们为R16选择30k电阻。为使IC2以2MHz固定频率开关,必须避免压差条件。该IC可避免压差,直到关断时间(tOFF)长于100ns(典型值)。这意味着系统的最大占空比不得超过:

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(式5)

考虑到降压调节器IC2的效率(Eff)为90%,能够确保2MHz固定频率开关的最小输入电压(OUTA)为:

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(式6)

这意味着OUTA电压不得低于11.11V门限。为保证OUTA电压总是高于11.11V,电池电压(IN节点)低于11.5V时,必须使能IC1。这样就为电感L1和肖特基二极管D2上的压降留出了大约390mV的裕量。

40V抛负载尖峰期间,OUTA电压达到其高压值,IC2必须将其输出稳定在8V。所以,抛负载尖峰期间,IC2的占空比应为:

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(式7)

器件的最小导通时间(tON)为80ns(典型值),使其能够达到的最小占空比为:

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(式8)

开关频率为2MHz。

最小0.16占空比确保在40V抛负载期间实现8V稳压。

电感和电流检测

如果您通过使用大电感值减小电感尖峰电流,则可提高IC2的效率。然而,实现这点需要更大的印制电路板(PCB)面积,并使负载调整率变差。作为一种可接受的折衷,可选择电感值使LIR(电感峰-峰电流与直流平均电流之比)等于或小于0.3。参考图3考虑下式:

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图3 IC2 (MAX16952)的电感电流

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(式9)

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(式10)

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(式11)

将这些公式合并,得到的公式可计算出L值:

MM1304669392_opt.jpeg

(式12)

波段开关相关文章:波段开关原理



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关键词: 驱动器 电源 转换器

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