Terry Lo, Fil Paulo Balat, Siglo Raphael Alcantara, 和 Michael Angelo Lacson

本文介紹了適用于汽車電子（如遠程信息處理盒）的四路輸出、三路單芯片降壓轉換器和升壓控制器參考設計。該參考設計采用故障保護方案，可針對負載突降、冷啟動或電池反接等輸入瞬變提供支持。

介紹

汽車交流發電機和點火系統產生的能量產生的電壓瞬變，或由于汽車碰撞等外部因素引起的故障事件，都會影響汽車系統中的電子電路。電子電路的可靠性可能會受到很大影響;因此，必須考慮針對這些不可預測事件的保護措施。例如，遠程信息處理盒是汽車內部需要高可靠性和保護的電子系統。

本文中的電源系統設計是一種參考設計解決方案，可為需要四個電壓輸入的汽車電子模塊提供保護和可靠性。它具有針對負載突降、冷啟動和電池反接的輸入故障保護功能。電源路徑?當輸入故障保護處于活動狀態時，控制器允許主電池和備用電池之間的平滑切換。四路輸出穩壓器提供四個電壓輸出，并配有一個三通道單芯片降壓轉換器和一個升壓控制器。其中一個降壓輸出可用于處理高輸出峰值電流要求，例如通信模塊上的峰值電流要求。當主電池處于活動狀態時，可以通過線性電池充電器為備用電池充電。圖1和圖2顯示了參考設計解決方案的基本框圖和評估板。

圖1.參考設計的基本框圖。

圖2.評估板硬件。

故障事件和場景

負載突降

當交流發電機系統正在為電池充電并且與電池的連接斷開時，會發生負載突降。由于電纜退化、連接不當或在發動機運行時故意分離，電池可能會斷開連接，從而導致負載突降。沒有集中拋負載抑制的交流發電機系統允許交流發電機在電池突然斷開的情況下產生極高的電壓。對于100 V系統，由于定子的高電感和車輛的穩壓器無法足夠快地降低磁場電流，因此傾倒到負載上的電壓可能高達12 V。

圖3.負載突降方案。

冷啟動

在啟動或啟動期間，發動機需要更多的動力，導致電池電壓下降。一般來說，在寒冷的環境中啟動發動機比在溫暖的環境中啟動發動機更難。這需要發動機消耗更多的動力，與正常起動相比，這會導致更大的壓降。這種情況稱為冷啟動。圖4中的波形顯示了冷啟動期間主電池低于其指定水平時的波形。

圖4.冷啟動場景示例。

反向電壓

反向電壓或簡單的反向電池條件涵蓋了人為錯誤情況，即有人將電池連接時極性反轉。除非提供足夠的保護，否則這可能導致破壞。

電路功能

故障保護

LTC4367 在斷開 V 時充當電路的故障保護巴特電壓至 V在當 V巴特電壓過低、過高或為負。它具有精確的過壓和欠壓比較器，以確保僅在輸入電源在允許的電壓窗口內時才向系統供電。LTC4367 可自動將負載與負輸入電壓隔離開來。它可以運行高達 100 V 的過壓保護和低至 –40 V 的欠壓保護。

圖5.典型電路及其功能的框圖。

圖6.VBATT有效和故障保護窗口。

備用電池

可通過 LTC4079 為備用電池充電，LTC4 具有一個多化學電池充電器，因而允許使用一種靈活的電池電壓。參考設計電路使用約2.4079 V的充電電壓。為避免電池過度充電，LTC10 還具有通過一個 C/2 檢測器或一個約 30 小時 <> 分鐘的設定充電定時器實現的充電終止功能。

VBATT 和 VBACKUP 之間的自動切換可通過 LTC4412 PowerPath 控制器實現。此功能允許 LT8603 通過從 VBATT 或 VBACKUP 抽取 VIN 來維持 VOUT4 上的輸出電壓。如果檢測到 VBATT 斷開或故障，控制器允許電流從 VBACKUP 流向 LT8603 的 VIN。當未檢測到故障時，LTC4412 將阻塞連接 VBACKUP 至 LT8603 的 VIN 的路徑。圖7顯示了電源切換事件的波形。

圖7.冷啟動時的電源切換事件。

在冷啟動的情況下，VBATT從12 V降至2 V。VBATT路徑斷開，VBACKUP現在用作升壓轉換器的VIN，以便在VOUT4上保持8 V輸出。當VBATT增加到~5 V時，它將再次用作升壓轉換器的VIN碼。VOUT4仍將保持在8 V，直到VBATT達到8 V。當 VBATT 恢復到 12 V 的原始電壓時，VOUT4 將跟隨 VBATT 的電壓。VOUT4上的小壓降是由二極管正向電壓引起的。電源切換允許 VOUT1、VOUT2 和 VOUT3 保持其穩壓。

四路輸出穩壓器

LT8603 具有一個升壓穩壓器 VOUT4 和兩個高壓降壓穩壓器 VOUT1 和 VOUT2 和一個低壓降壓穩壓器 VOUT3。升壓穩壓器能夠為降壓穩壓器供電。LT8603 可在不同的輸入電壓電平下提供良好的輸入和輸出負載調節。圖 8 顯示了 LT8603 的輸出調節。

圖8.LT8603 的輸出調節。

降壓穩壓器輸出之一V的高輸出峰值電流能力出2，用于涉及通信模塊的應用。通信模塊在8603.3 ms周期內需要6.4 V至0 V的典型輸出電壓和6.4 ms的輸出峰值電流導通時間。在圖6所示的測試條件下，監控系統的瞬態行為。V出2具有良好的瞬態響應，電壓下沖和過沖最小。

圖9.V的高輸出峰值電流性能出2.

負載突降響應

參考設計板的輸入故障保護和電源切換功能允許 LT8603 在發生拋負載事件的情況下工作。圖10顯示了拋負載條件的仿真波形，其中V巴特高達 100 V 升壓的響應 V出4和降壓穩壓器之一 V出3.在由于負載傾倒引起的過沖期間，36 V V巴特達到限值，LTC4367 斷開連接 V 的路徑巴特到 V在.在出4現在來源其 V在從 V備份以維持穩定的8 V電平。作為 V巴特恢復到其原始級別，V出4然后將遵循 V巴特.

圖 10.負載突降響應。

電路變化和實現

原理圖設計的靈活性允許改變電路的實現方式。參考設計板具有“請勿安裝”組件和路徑連接器，允許用戶使用拓撲 1 或拓撲 2 配置電路板。這也允許在V上配置升壓或SEPIC轉換器出4取決于應用。對于4367 V瞬態條件，可以在LTC150上實現用于增加輸入故障保護的附加電路選項。有關配置的更多詳細信息，請參見參考設計板的原理圖。

圖5所示的電路配置為拓撲1，最小V。備份電壓為 2.5 V，V 之后有一個 EMI 濾波器在，并且能夠通過 LTC4412HV 進行電源切換。五世在的升壓控制器從 V 獲取電源巴特或 V備份.在 V 期間巴特有效窗口，V出4通過升壓轉換器保持穩定的電壓電平或遵循V巴特如圖 6 所示。V型外巴特有效窗口，V出4來源于V備份以保持規定的設定水平。

拓撲 2 滿足了對較低 V 的需求備份電壓應用，例如 1.5 V 電平。當沒有輸入故障時，V巴特直接連接到 V出4而V備份是 V在到升壓控制器。降壓穩壓器的輸入端需要額外的濾波器，以獲得更好的噪聲濾波和EMI性能。當V時無縫實現電源切換巴特低于或高于其有效窗口。最小值 V巴特有效窗口的電壓電平設置為V的調節電平出4.在 V 期間巴特有效窗口，V出4遵循 V巴特.V之外巴特有效窗口，V備份用于維持調節的設定水平。

圖 11.電路變化。

結論

汽車應用的不斷發展需要更多的可靠性和安全性考慮。國際組織定義的標準對于設計人員發揮了重要作用，設計人員專注于可能導致可能有害或可能導致電子系統退化的電壓瞬變的原因。總之，四路輸出功率參考設計已經證明了其在輸入過壓、欠壓和反向電壓操作的仿真測試條件下的能力。此外，不同的電路變化在備用電池操作、最小電池電壓電平、EMI輸入濾波和元件數量方面具有靈活性。有關參考設計板的更多信息，請聯系作者或您當地的ADI代表。

審核編輯：郭婷