本應用筆記涵蓋了對售后市場技術和運輸基礎設施自動化的電源設計提出新挑戰的主要市場趨勢和客戶需求。支持該市場的設備必須對過壓、過流、反向電壓、反向電流和過熱等瞬態條件具有魯棒性。本文介紹了應對這些挑戰的解決方案，特別強調了電源架構。本應用筆記的類似版本于2017年12月21日發表在Electronics for U上。

介紹

工業運輸市場的電子產品包括各種應用。汽車、卡車、火車、飛機和輪船的自動化和娛樂產品增加了售后市場。道路、海上通道、火車和空中交通管制的基礎設施自動化，可以更有效地運送人員和貨物。

在過去的幾十年里，售后汽車產品在信息娛樂和遠程信息處理到高級駕駛輔助系統（ADAS）等領域推動了相當多的創新。考慮正在設計用于汽車和卡車的技術，例如GPS，音頻，座椅靠背視頻，后視攝像頭，停車傳感器，充電端口和無鑰匙進入。全球公司也在不斷推出新的售后市場技術。最近的創新包括車隊管理、車載診斷、平視顯示器 （HUD）、手勢控制導航、網絡網關、駕駛員輔助、基于無鑰匙/生物識別的進入/退出/駕駛以及貨運控制/監控。我們在汽車和卡車以及火車、輪船、航空電子設備和國防應用中看到了這些技術。

更高效地運送人員和貨物的交通基礎設施自動化包括 HOV 車道控制、停車/收費、計價器、交通控制等。由于工程獨創性，現在可以實現更快的移動、準時的時間表和更少的事故。

工業運輸趨勢

車隊管理和物流是當今工業運輸中最具活力的應用之一。跟蹤貨物是一項大生意，因為貨物是從各個地區、州、國家甚至海外制造和運輸的。例如，運輸的易腐物品在整個運輸過程中必須保持在調節的溫度、壓力或其他參數下。同樣，安全貨物需要傳感器來跟蹤位置和進入。駕駛員安全也很重要，確保這種安全需要來自監控駕駛員警覺性的攝像頭和跟蹤車輛位置的GPS系統的數據。這些數據使用無線網絡和云基礎設施進行記錄，復雜的算法綜合數據，以對路線和/或駕駛員安全做出實時決策。幾家GPS導航公司現在正在為車隊管理市場提供硬件和軟件產品和服務。北美、歐洲、日本和韓國都擁有先進的車隊管理系統的悠久歷史。最近，拉丁美洲、中國和印度正在增加這種能力，這帶來了巨大的增長機會。有趣的是，以色列有幾個參與者在以色列、非洲、歐洲和世界其他地區開發消費產品。

有些人可能認為，沒有太多的創新技術可以帶入信息娛樂空間，因為我們已經有如此多的音頻/視頻、智能手機和導航選項成為標準功能。然而，該領域的趨勢包括集成，超越簡單的智能手機界面，添加HUD，將手機屏幕投射到擋風玻璃上，并帶有手勢控制，以在地圖上和視頻通話之間導航，或其他顯著功能，如天氣，股票行情，日歷等。座椅靠背屏幕與后排乘客的手機屏幕相呼應也是一個活躍的產品開發領域。

ADAS解決方案仍然是一個不斷增長的市場。售后市場ADAS技術包括停車傳感器、后視/擴展攝像頭、照明、交通警告、車對車（車對車）接口等。幾家制造商正在研究解決方案，使駕駛員能夠避免意外的車道偏離、碰撞、行人和道路危險，并在限速范圍內行駛。

考慮到人們在高度擁擠的城市中花費在汽車上的時間，許多原始設備制造商正在為汽車和公共汽車添加無線網關。然后，乘客可以在家和辦公室/學校之間的長途通勤中繼續工作。

典型系統架構

圖 1 顯示的是典型的車隊跟蹤/管理系統架構。

圖1.典型的車隊跟蹤/管理系統架構。

電源架構概述

車隊跟蹤/管理設備由車輛電池供電，汽車通常為 12V，許多卡車通常為 24V。作為售后市場附加組件，它面臨著比界限良好的OEM設備更苛刻的電源管理環境。大多數設備還具有可充電備用電池，通常為3.6V;當主電池電量丟失時，該備用電池只能持續幾天。從主電池源，前端電子設備受到瞬態和故障條件的保護。通過降壓型DC-DC轉換器和LDO將保護電壓轉換為可用的較低電壓（3.3V、2.5V、1.2V等），為各種數字邏輯和模擬IC供電。圖 2 顯示了典型的車隊跟蹤/管理電源架構。

圖2.典型的車隊跟蹤/管理電源架構。

故障保護

與許多其他從車輛電池中獲取電力的電子設備一樣，車隊跟蹤/管理設備也必須受到保護，免受通常已知的電壓浪涌的影響，例如負載突降、再生制動、長電纜振鈴等。當交流發電機旋轉時電池電纜突然斷開時，就會發生負載突降，將高能量放回車輛電源線，那里沒有任何東西可以吸收它，從而導致高電壓，可能會損壞未受保護的電子設備。當駕駛員踩下制動時，電動汽車中會發生再生制動;車輛動能被電機捕獲并發送回為電池充電。高壓振鈴與再生制動有關，因為這種活動具有高能量、高di/dt的性質。

當發生高 di/dt 事件時，例如當設備插入板載診斷連接器時，會發生長電纜振鈴。為設備的板載電容器或備用電池充電的浪涌電流與電纜的電感共振，從而導致高壓振鈴。具有較高寄生電感的較長電纜表現出更嚴重的電壓振鈴。新的OBD-II標準規定診斷連接器距離方向盤不到兩英尺（0.61米），而主電池則遠離引擎蓋下或卡車側面。這一新要求使得從電池到OBD-II連接器的電纜更長，更容易產生高壓振鈴。

電纜振鈴引起的高壓故障

圖 3 描述了演示電纜振鈴的實驗室設置。24V 直流電源用于模擬卡車的 24V 直流電池。一根 10 英尺長的電纜將電源連接到陶瓷電容器（1μF 或 10μF），以模擬車隊跟蹤設備的輸入電容。

圖3.電纜振鈴測試設置。

圖4顯示了我們的第一個測試，模擬初始插入時的電纜振鈴，當通過電纜寄生電感對電容器（先前放電）充電的浪涌電流與電路板輸入電容諧振時。當輸入電容為10μF時，峰值振鈴電壓為32V，電壓尖峰為42.6V。當輸入電容為1μF時，峰值振鈴電壓為40V。

圖4.首次插入時電纜振鈴。

圖5顯示了我們的第二個測試，我們模擬電纜上的短暫短路情況。消除短路后，通過電纜寄生電感建立的短路電流與電路板輸入電容諧振。當輸入電容為10μF時，峰值振鈴電壓為40V。當輸入電容為1μF時，峰值振鈴電壓為50.4V，是24V源電壓的兩倍多。

圖5.短暫短路后電纜振鈴。

該實驗使用10英尺的電纜 - 從電池到OBD-II連接器的卡車電纜長度的合理估計，以證明峰值振鈴電壓可以很容易地使輸入電壓源加倍。高峰值振鈴電壓可能發生在不同的電纜長度和不同的器件輸入電容下。實際上，峰值振鈴電壓可以計算為：

我在哪里PK是峰值短路電流，

是系統的特性阻抗。在這種情況下，L是電纜寄生電感，C是器件輸入電容。

其他故障類型

短路和/或過流保護電路在電子元件中至關重要，以防止火災危險，并將電源線與故障短路設備隔離開來。當環境溫度過高或出現其他故障（過流等）時，過熱保護通過降低功耗或完全關閉器件來防止永久性損壞。過熱保護可防止系統過熱和火災危險，并確保系統在其定義的溫度限制內運行。當電池反向連接或電源線向后安裝時，會發生反向電壓故障。雖然不太可能發生，但如果沒有適當的反向電壓保護，反向電壓故障通常會對連接到電纜的電源線和電子設備造成代價高昂的損壞。

顯然，保護車隊跟蹤/管理設備免受許多可能的故障的影響是有道理的。然而，使用分立元件實現故障保護電路可能非常乏味、昂貴，而且并不總是萬無一失。由于元件數量眾多，解決方案很大，必須隨著時間的推移驗證和保證電路性能。系統在響應故障時缺乏靈活性（打開開關，關閉系統，這需要技術人員重新啟動）會增加總擁有成本。

圖6所示為Maxim奧林巴斯系列器件的現代保護IC，即36V/1A MAX17523。這款高度集成的 IC 將所有需要的保護功能集成在一個纖巧的 16 引腳 TQFN （3mm x 3mm） 封裝中。MAX17523使用簡單，堅固耐用，支持12V交通電子元件，具有以下特性：

高輸入電壓容差（+4.5V至+36V工作范圍）

反向電壓保護（可承受 -36V 負輸入電壓）

反向電流保護

短路、過流保護

過熱保護

圖6.MAX17523典型應用原理圖

對于24V運輸系統，需要更高額定電壓的保護IC。這就是Maxim的MAX17525奧林巴斯保護IC（+5.5V至+60V，0.6A至6A）等解決方案的用武之地。MAX17525采用節省空間的20引腳TQFN （5mm x 5mm）封裝，具有以下特性：

高輸入電壓容差（+5.5V至+60V工作范圍）

反向電壓/電流保護（可承受-60V負輸入電壓）

短路、熱折返限流保護

過熱保護

可調 OVLO、UVLO、啟動電流和正向電流限制

現代 DC-DC 穩壓器如何滿足尺寸和溫度范圍要求

與其他運輸電子設備一樣，車隊跟蹤/管理設備在物理上很小，因此需要高度集成才能將電源電路安裝到狹小的空間中。消除設備的散熱以將其溫度保持在范圍內也具有挑戰性。有效集成功率 MOSFET、補償電路和其他外部組件的現代 DC-DC 電源解決方案有助于減小電路尺寸。將小尺寸解決方案與高效的同步整流技術相結合，有助于降低功耗。來自Maxim喜馬拉雅系列的MAX15062 （4.5V至60V，300mA）就是此類器件的一個例子，在纖巧的8引腳TDFN （2mm x 2mm）封裝中提供92%的峰值效率。

圖7.MAX15062A （3.3V V外）/MAX15062B （可調V外）典型應用原理圖。

為了進一步提高集成度，喜馬拉雅電源模塊還將功率電感器、電阻器和電容器與 DC-DC 穩壓器集成在一起。其結果是易于使用、易于設計且快速上市的電源模塊解決方案，只需要一個輸入電容器、一個輸出電容器、兩個小電壓設置電阻和一個可選的軟啟動設置電容器即可完成電源解決方案。MAXM17545 （4.5V至42V，1.7A）和MAXM17575 （4.5V至60V，1.5A）是喜馬拉雅電源模塊的良好范例。

當今的汽車以及智能運輸自動化系統擁有數百個傳感器，這些傳感器在極其狹窄的空間限制下安裝。為這些傳感器供電需要更高的集成度。MAXM17532采用革命性的封裝技術，將42V、100mA電源解決方案小型化為2.6mm x 3mm x 1.5mm電源模塊。這種高效的同步 DC-DC 降壓電源模塊還最大限度地減少了傳感器的散熱，并具有以下特點：

4.0V 至 42V V在范圍

0.9V 至 5.5V V外范圍

100mA 連續電流

圖8.MAXM17532典型應用原理圖

圖9.MAXM17532功率模塊，內置微型接近傳感器。

現在，您可以考慮使用LDO為傳感器供電，因為它通常成本低且使用起來非常簡單。然而，LDO也具有高功耗，這是一個關鍵缺點。例如，傳統的簡單數字/模擬傳感器可能需要5V/20mA，并具有24V輸入（標稱）。LDO兩端的功耗為（24V – 5V） x 20mA = 0.38W （標稱值）。較新的傳感器具有更高的智能、更多的功能和更大的靈活性——所有這些都需要更多的功率，比如100mA。在保持相同的輸入/輸出電壓的情況下，LDO兩端的功耗為（24V – 5V）x 100mA = 1.9W。這種明顯更高的功耗必須在同一傳感器的物理外形尺寸中消散。此外，傳感器還增加了更多的電路，需要更小的尺寸和更高的集成度。這里適合使用能夠滿足尺寸和功耗要求，同時提供高效率的電源模塊。低功耗意味著更低的系統工作溫度和更高的長期可靠性。

總結

售后運輸電子產品必須能夠抵抗過壓、過流、反向電壓、反向電流和過熱等瞬態條件。這些保護可由高度集成的保護IC提供，與分立式解決方案相比，這也簡化了設計。隨著設備在縮小尺寸的同時不斷獲得越來越多的功能，需要更高的集成度。借助高效的電源管理解決方案，您可以緩解散熱挑戰并提高系統的長期可靠性。

審核編輯：郭婷