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降壓/升壓穩壓器有利于汽車傳導抗擾性

電子設計 ? 來源:德州儀器 ? 作者:德州儀器 ? 2021-12-09 11:00 ? 次閱讀
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汽車電池的穩態電壓范圍為9V至16V,具體取決于其充電狀態、環境溫度和交流發電機工作狀態。然而,電池電源總線也受到廣泛的動態干擾,包括起停、冷啟動和負載轉儲瞬變的限制。

每個汽車制造商除了由國際標準化組織(ISO)7637和ISO 16750等行業標準給出的標準脈沖波形之外,還具有獨特且廣泛的傳導抗擾度測試套件。表1列出了幾種欠壓和過壓汽車瞬變特性。

瞬態 原因 幅度和持續時間 相關標準
負載突降 高輸出電流下斷開交流發電機的放電電池 鉗位至Us* = 35 V,取決于交流發電機的集中式鉗位和穩壓器的響應時間 ISO 16750-2:2012第4.6.4節
冷啟動 啟動電機通電后電池電壓降低和后續恢復 在冷啟動期間,初始低壓坪(U56)低至15ms時為2.8V ISO 16750-2:2012第4.6.3節(也包括其OEM變體)
雙電池助動啟動 帶有雙電池電氣系統的商用車助動啟動 24V,2分鐘 ISO 16750-2:2012第4.3.1節
發電機調壓器故障 交流發電機的電壓穩壓器故障,導致電池充滿電 18V,1小時 針對OEM
反向電壓 電池端子誤連接施加的負電壓 -14V,1分鐘 ISO 16750-2:2012第4.7節
電感負載 切換或斷開大電流電感負載(風機、車窗馬達、制動系統等) -150V,2ms(脈沖1)
+ 150V,50μs(脈沖2a)
ISO 7637-2:2011脈沖1、2a、2b、3a、3b
疊加交流電壓 由于交流發電機的三相橋式整流輸出電壓交流電壓承受直流電池電壓 在50HZ至25kHz條件下,1V至4V幅度掃描持續2分鐘以上 ISO 16750-2:2012第4.4節

表1:汽車電池連續和瞬態傳導干擾與相關測試水平

發電機引起的噪聲

音頻范圍內,一個特別討厭的噪聲源是汽車交流發電機,其輸出端所產生的殘留交流電會導致交流發電機發出“嗚嗚聲”和電源調制問題。表1中提到的ISO 16750-2第4.4節描述了在50Hz至25kHz的頻率范圍內交流發電機輸出的紋波電壓,峰值幅度(VPP)為1V、2V和4V,具體取決于測試脈沖的嚴重程度。參見圖1。

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圖1:ISO 16750-2疊加交流電壓測試(a);在兩分鐘掃描持續時間內從50Hz到25kHz的對數頻率掃描曲線(b)

在許多車輛中,由低通電感 - 電容(LC)濾波器和瞬態電壓抑制器(TVS二極管組成的集中式無源電路保護網絡被用作抑制瞬態干擾的第一道防線。位于保護網絡下游的汽車電子器件的額定值可承受高達40V的瞬態且不會損壞。然而,LC濾波器要求的截止頻率要衰減低頻干擾,導致產生了相當大的濾波電感和電解電容。此時,一個有源功率級的存在是必要的,其可以消除龐大的無源濾波器組件,并為緊湊的電壓調節和瞬態抑制提供了緊湊且經濟高效的解決方案。

四開關同步降壓-升壓穩壓器

寬VIN降壓 - 升壓穩壓器解決方案的優點在于其高電源抑制比(PSRR),提供優異的瞬態力學來衰減輸入電壓瞬變??紤]到這一點,我最近寫了一篇文章:“汽車前端降壓 - 升壓穩壓器主動過濾電壓干擾”,它描述了汽車應用的高密度解決方案。

圖2所示為四開關降壓 - 升壓穩壓器的原理圖,用于輸出緊密調壓的12V導軌。該解決方案非常適用于關鍵的汽車功能,包括傳動列、燃料系統以及車身和安全子系統,即使在最嚴重的電池電壓瞬變過程中,負載必須保持供電而沒有故障。這種易于使用的設計工具簡化了穩壓器設計,從而實現了設計和上市時間的速度提升。

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圖2:具有3V至36V寬VIN范圍的四開關同步降壓-升壓解決方案

圖3a所示為當9V的直流輸入具有帶1V峰幅度和1kHz頻率的疊加正弦波紋時的降壓 - 升壓穩壓器的輸出電壓波形。輸入紋波衰減約40dB。圖3b所示為在使用汽車冷啟動模擬器的冷啟動瞬變下降至3V,持續20ms的輸出電壓。四開關降壓 - 升壓轉換器通過冷啟動曲線無縫調壓。

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圖3:測量的四開關降壓-升壓轉換器:9V直流輸入(a)波紋抑制;冷啟動性能(b)

總結

憑借其高電源電壓抑制比(PSRR)、高效率和低總體物料清單成本,如同TI的LM5175-Q1電流模式控制器的四開關同步降壓 - 升壓為減輕汽車應用中的瞬態干擾提供了有用的解決方案。該降壓 - 升壓控制器具有汽車業認證,可方便其集成到車載12V單電池和24V雙電池系統中。

編輯:金巧

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