適用于汽車無線電系統AM和FM波段的低噪聲開關電源

引言

隨著汽車啟停技術(引擎空閑時自動關閉)應用的日益廣泛，越來越多的汽車系統必須工作在低輸入電壓。熱啟動(此時電池電壓可下降達6V)和冷啟動(此時電池電壓可下降達3V)期間，會發生此類低輸入電壓。本文介紹可承受汽車全輸入電壓范圍(包括冷啟動和拋負載條件)的中間電壓8V開關電源。電源保證為常見子系統提供穩定的8V電源，例如CD驅動器、LCD，以及現代信息娛樂系統中的無線電模塊。為避免AM和FM波段干擾，開關電源工作在2MHz固定頻率，成為無線電系統的理想方案。

低輸入電壓功能的重要性及EMI要求

圖1所示為要求不同架構方案的常見汽車系統。

主電源為3.3V的系統中，具有低壓差的前端降壓轉換器就可以滿足要求(情形1)。此外，升壓轉換器可工作在3.3V，能夠調節到5V(例如用于CAN總線收發器)或其它更高電壓(情形2)。工作在5V或更高電壓軌的系統要求前端“預升壓”，以確保降壓轉換器的輸入電壓不會下降至規定電壓以下(情形3)。

圖1 汽車電源解決方案

低電磁輻射(EMI)也是對汽車電源的一項關鍵要求，尤其在敏感的AM波段。這里所介紹設計的開關轉換器工作在AM波段以上，即保證頻率高于1.71MHz(中波的上段)，滿足這一要求，使開關轉換器工作在高頻還可減小外部無源元件的尺寸和成本。

汽車開關電源的關鍵設計參數

圖2所示為開關電源原理圖。該電源包括4.5V至40V升壓控制器(IC1)和36V降壓控制器(IC2)，以及實現正常工作的附加電路。兩片IC與外部2MHz方波邏輯信號同步，該信號由微控制器或專用IC提供。這種方法使得在為電源選擇最優開關頻率時具有很大靈活性。電池在正常工作期間，禁止IC1、IC2調節器將OUTB節點電壓穩定在8V。電池電壓在冷啟動期間下降時，使能IC1，將OUTA節點的電壓升高。這允許IC2將OUTB節點的電壓穩定在8V。由于兩片IC的高可靠性，整個設計可承受高達40V的汽車拋負載。系統經過配置并測試，其主輸出(OUTB)可提供20W功率(8V@2.5A)，修改外部元件后甚至可提供更高輸出功率。(參見下文中關于IC1和IC2的最優外部元件的討論。)

圖2 開關電源原理圖中包括升壓控制器(IC1，MAX15005)和降壓控制器(IC2，MAX16952)

外部元件優化IC2性能

輸出電壓和開關頻率

為了在OUTB節點調節8V電壓，必須選擇正確的反饋電阻分壓器(由電阻R22和R21組成)。注意，IC2的數據資料建議低邊電阻小于100k。為R22選擇51k低邊電阻分壓器，必須根據式1選擇高邊電阻分壓器：

(式1)

式中，VFB = 1V (典型值)。

為R21選擇標準電阻值360k，產生的典型輸出電壓值為：

(式2)

假設電阻容限為1%，整個開關電源的最小和最大電壓值(OUTB)為：

(式3)

(式4)

式中，VFB(MIN)為0.985V，VFB(MAX)為1.015V。

根據數據資料建議，外部頻率必須高于IC內部所選頻率的110%。由于我們將IC2的開關頻率與外部2MHz信號同步，所以我們所選內部振蕩器電阻R16必須將內部開關頻率設定在低于1.8MHz。出于這一原因，我們為R16選擇30k電阻。為使IC2以2MHz固定頻率開關，必須避免壓差條件。該IC可避免壓差，直到關斷時間(tOFF)長于100ns(典型值)。這意味著系統的最大占空比不得超過：

(式5)

考慮到降壓調節器IC2的效率(Eff)為90%，能夠確保2MHz固定頻率開關的最小輸入電壓(OUTA)為：

(式6)

這意味著OUTA電壓不得低于11.11V門限。為保證OUTA電壓總是高于11.11V，電池電壓(IN節點)低于11.5V時，必須使能IC1。這樣就為電感L1和肖特基二極管D2上的壓降留出了大約390mV的裕量。

40V拋負載尖峰期間，OUTA電壓達到其高壓值，IC2必須將其輸出穩定在8V。所以，拋負載尖峰期間，IC2的占空比應為：

(式7)

器件的最小導通時間(tON)為80ns(典型值)，使其能夠達到的最小占空比為：

(式8)

開關頻率為2MHz。

最小0.16占空比確保在40V拋負載期間實現8V穩壓。

電感和電流檢測

如果您通過使用大電感值減小電感尖峰電流，則可提高IC2的效率。然而，實現這點需要更大的印制電路板(PCB)面積，并使負載調整率變差。作為一種可接受的折衷，可選擇電感值使LIR(電感峰-峰電流與直流平均電流之比)等于或小于0.3。參考圖3考慮下式：

圖3 IC2 (MAX16952)的電感電流

(式9)

(式10)

(式11)

將這些公式合并，得到的公式可計算出L值：

(式12)