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車載電源設計挑戰

發布日期:2022-07-14 點擊率:29

ot;display: block;">引言


在汽車工業中,對于車載電源管理的要求正變得愈加苛刻?,F在,它們要求電源能夠工作在更寬的輸入電壓、更高的電流以及更高的溫度極值條件下。這些要求將使開關模式電源設計成為主流,因為這種電源設計具有更大的靈活性、更優異的可配置性和更高的散熱效率。


開關模式電源的核心組件是 DC/DC 轉換器。今天的車載轉換器必須能夠支持各種運行條件,例如:低壓運行(也就是冷啟動)和正瞬態生存性 (positive transient survivability)(也就是抑制或未抑制的拋負載狀態)。車載子系統的出現所帶來的更高負載需求使得這些數據轉換器設計變得更為復雜。本文將給讀者提供一個關于車載電源需求的簡要介紹,并且介紹一款由 TI 最近推出的新型 DC/DC 轉換器 TPIC74100。


車載瞬態保護


拋負載


幾乎所有直接連接至汽車電池的電子組件和電路均要求保護,以免于受到抑制、瞬態電壓(高達60V)和反向電壓狀態的損害。對于這些電子電路而言,必須能夠經受住電源線路上一定程度的過電壓,這也是一種常見的要求。對于車載系統而言,尤為如此,為所有特殊車載電子系統提供電源輸入的主電源必須能夠承受各種瞬態電壓狀態(包括交流發電機的拋負載)。拋負載是指去掉負載時電源電壓發生的變化。電壓調節有一個時間常量,并且,如果迅速地將負載去去掉,那么電壓穩定則只需幾毫秒的時間。車載電池的作用就是消除這些脈沖,并保持電壓更恒定。


由于交流發電機控制環路關閉的速度不夠快,因此,在將電池電壓去除掉時,其會產生一個高輸出電壓脈沖。正常情況下,在汽車某個中央位置,這種高能脈沖被控制或抑制在一個較低的電壓范圍內。但是,汽車廠商還是給供應商規定了在其電源輸入端上可能出現的剩余過電壓。這種情況在轎車廠商中更為不同,但是轎車的標準峰值大約為 40V,而商務車的標準峰值則大約為 60V。一個典型拋負載脈沖的持續時間為幾十分之幾秒,下圖(圖1)顯示了該拋負載狀態下的典型脈沖。



圖1:一個拋負載瞬態的圖表描述
圖1:一個拋負載瞬態的圖表描述



  • 儀表板應用的冷啟動


    在車載運行環境中,對于電源管理芯片的需求日益增長。這些需求之一便是需要能夠運行于一個寬電壓偏移范圍的電源管理芯片,直接連接至電池的電子系統通常都會有這種電壓偏移范圍。通過觀察該冷啟動脈沖,可以描述出此類瞬態的一個例子。這種狀態可發生在車輛在寒冷環境下的第一次啟動。如果溫度可以足夠的低(例如:冷卻至零攝氏度)的話,那么引擎用油會變得粘稠。通過要求提供更高的功率和更大的扭矩,這就對馬達提出了重負載要求。這樣就需要能夠提供更高電流的電池。重負載要求可以在該點火周期內將電池電壓立刻下拉至 3V。


    我們所面臨的挑戰是,一些應用必須在該過程中保持運行。這些應用并非只限于動力傳動系電子控制部件 (ECU) 或安全關鍵性應用,在一些集群及信息娛樂子系統中也同樣可以看到這些應用的蹤影。當出現該條件時,電源管理芯片必須對輸入電壓進行升壓,以便保持正確的調節輸出電壓,從而保證這些電子系統可以正確地發揮作用。



    圖2:輸入電壓變化或冷啟動
    圖2:輸入電壓變化或冷啟動


    可用于升壓?M降壓轉換的拓撲結構包括苦干不同的種類:單端初級電感轉換器 (SEPIC),或一種純降壓?M升壓轉換器。





  • SEPIC 轉換器


    SEPIC 轉換器提供一種降壓轉換,直到輸入電壓等于或者降到輸出電壓電平之下。然后,它將提供升壓轉換,直到電池電壓降到最小的容許輸入電壓電平。使用 SEPIC 的一個主要弊端是,它需要一個單耦合線圈(也即變壓器)或者兩個單獨電感,以及一個耦合電容器,如圖3 所示。



    圖3:使用兩個單獨電感的 SEPIC 拓撲結構
    圖3:使用兩個單獨電感的 SEPIC 拓撲結構


    這些電感和線圈的體積均較大,在印刷電路板 (PCB) 上需要更多的空間。在那些必須保持體積尺寸和板級空間的應用中,這種情況就更加不適宜。


    啟動降壓?M升壓轉換器


    車載應用中,對于降壓?M升壓轉換器的需求在過去的幾年中日益急劇增長。對于那些需要在電壓瞬態期間(例如:冷啟動)繼續“存活”的應用而言,這就更加有益。


    該降壓?M升壓轉換器是一款 DC/DC 轉換器,其具有一個大于或小于輸入電壓振幅的輸出電壓振幅。它是一款開關模式電源,具有同升壓轉換器和降壓轉換器相類似的電路拓撲結構。根據開關晶體管的占空比,可以對該輸出進行調節。


    這種拓撲結構由一個降壓功率級和其兩個功率開關組成,并且這兩個開關又通過功率電感連接至一個升壓功率級及其兩個功率開關。這些開關能夠在三種不同運行模式中的一種模式下得到控制。這三個模式分別為降壓?M升壓模式、降壓模式和升壓模式。運行的特殊芯片模式是輸入到輸出電壓比率的函數,同時也是芯片的控制拓撲結構。


    TI 推出的 TPIC74100-Q1 是一款降壓?M升壓開關模式調節器,其工作在電源概念下,以確保一個帶有輸入電壓偏移和規定負載范圍的穩定輸出電壓。



    圖4:TPIC74100 縱覽
    圖4:TPIC74100 縱覽


    這種降壓?M升壓開關模式調節器集成了電壓模式控制開關。其也是在同步配置中被設計出來的,以獲得增強的總體效率。借助于一些外部組件(LC 組合),該器件可將輸出調節至 5V±3%,以實現一個寬輸入電壓范圍,使其可以被用于許多高輸入電壓應用。當 5V 輸出軌超出規定容差時,這種器件同時還提供一種用于檢測和指示的復位功能。通過使用 REST 引腳 (terminal) 上的一款外部計時電容可以對該復位延遲進行編程。


    TPIC74100 擁有一個頻率調制方案,其允許系統設計通過在頻帶上擴散頻譜噪聲(而非在特定頻率上達到峰值)來滿足 EMC 要求。


    5Vg 輸出是一種開關 5V 調節輸出,其具有內部電流限制功能,以在驅動一個電源線路電容性負載時防止出現 “復位”堅持 (assert)。這種功能由5Vg_ENABLE 引腳控制。如果該輸出(5Vg 輸出)上有一個接地短路,那么輸出通過在斬波模式下運行進行自我保護。但是,在該故障狀態下,這樣做就會增高 VOUT 的輸出紋波電壓。




    降壓?M升壓轉換


    根據輸入電壓 (Vdriver) 和輸出負載條件,該運行模式自動在降壓和升壓模式之間進行轉換。


    在正常運行模式中,該系統將會被配置為一個降壓轉換器。但是,在低輸入電壓脈沖期間,該器件自動地轉換到升壓模式運行,以維持 5V 的電壓調節。當輸入電壓 (Vdrive) 介于  和 5V 之間并且取決于負載條件的時候,就會發生這種升壓模式的轉換。


    當該器件正運行于升壓模式且 V(driver)  處于  至 5V 的轉換窗口中時,輸出調節可能包含一個高于正常情況的紋波,并且僅維持一個 3% 的容差。這種紋波和容差取決于負載情況,負載條件越高,性能就越高。



    圖5:降壓?M升壓結構
    圖5:降壓?M升壓結構


    低功耗運行


    在一些車載應用中,例如:傳動系和儀表板群,要求低功耗模式運行以實現在車輛點火處于“關閉”期間最小化功耗。降壓?M升壓開關模式調節器擁有一個輸入 LPM,其在輕負載期間被啟用時將以脈沖頻率調制 (PFM) 模式運行,此狀態下電流通常不到 30mA。在大多數系統中,許多存儲器設備均要求在點火處于“關閉”狀態時仍然需要一些功率來保留數據。這通常需要不到 100uA的電流。降壓?M升壓開關模式調節器擁有 150uA(典型值)靜態電流的低功耗模式。通過開關頻率的變化完成調節。


    在 PFM 模式下,不存在用于輸出負載的降低的負載電流。這種模式下,轉換器效率更低,由于更高的負載電流,輸出電壓紋波將比 PFM 模式下稍大一些。實施低功耗模式功能,以實現降壓模式運行。在升壓模式條件下,該器件將會自動地進入 PWM 模式。通過啟用低功耗模式,降壓和升壓之間的轉換與 PWM 模式和 PFM 模式之間的轉換同時進行。


    結論

    在許多車載應用中,車載瞬態電壓是一個將會不斷帶來挑戰的問題。在許多需要在這些狀態期間持續保持運行的車載電源管理系統中,或當電池電壓意外地降到要求輸出電壓電平之下時,降壓?M升壓轉換器將起到一個關鍵作用。TPIC74100-Q1 車載降壓?M升壓轉換器將簡化車載環境中的設計,并且使設計工程師可以節省外部組件和 PCB 空間,且具有功率開關和同步運行集成的特點。TPIC74100-Q1 采用一個帶散熱板的 20 引腳 PWP 封裝,其規定的溫度范圍為-40°C~+125°C。


    參考信息


    如欲了解車載解決方案的更多詳情,敬請訪問:



    作者:John Constantopoulos、Sanmukh Patel 以及 Brad Little


    德州儀器公司



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