汽車電源介紹

大多數汽車電子模塊所需電壓(5V和3.3V)都從汽車電池變換而來。用線性穩壓器實現這種變換會產生顯著的功耗，使熱管理變困難和造價昂貴。更快處理器和ASIC的更高功率要求促使電源變換器從簡單、低成本、效率不高的線性穩壓器變成更復雜、效率高的開關變換器。

選擇變換器

開關變換器的大小取決于開關頻率。隨著開關頻率更高，而電源電感器和電容器變得更小。高效率變換器也可降低功耗，從而消除體積大，昂貴的散熱器。這些優點使開關變換器成為車身電子、音響和引擎控制模塊的電源管理首選。

較高的開關頻率會增加功耗，然而會帶來采用開關穩壓器的其他好處。開關損耗在較高輸入電壓時會顯著的變差，因為開關損耗正比于工作電壓平方。此外，高電壓IC(40V或更高電壓)工藝需經受過壓瞬變(如負載卸載導致損耗增加)考驗。高電壓工藝用較大的外形尺寸和較厚的柵極厚度。較長的溝道意味著較長的傳播延遲。因此，高電壓工藝固有是慢速和效率不高的。

應力條件

持續時間長于電子器件熱時間常數的任何過壓條件可認為是1個穩態現象。這種情況下，主要關心的是連續功耗和引起的溫度上升。

電壓調整器的輸出設置點通常為13.5V左右。交流發電機電壓調整器在不考慮負載或輸出電壓條件下提供滿勵磁電流可能會失效。此情況發生時，超過13.5V的電壓會加到整個系統。通常OEM的失效調整器測試要求是大約18V(1個小時時間)。

跳變起始點

另一個過壓條件是：穩態是雙電池跳變起始。此條件通常發生在用24V系統來跳變起始一個不能行馳的車輛。典型的OEM雙電池測試要求需要用24V兩分鐘。可靠的引擎管理和相關安全系統需要工作在這些條件下。

每當電流中斷時、通常總會產生1個過壓脈沖，所以需要濾波器、MOV(金屬氧化物變阻器)或瞬態電壓抑制器來抑制這些過壓瞬變。ISO7637標準針對這些感應的開關瞬變過壓條件規定4個基本的測試脈沖。

抑制系統

電池電壓不能直接饋入低電壓高性能開關穩壓器。代之以在傳統輸入電壓限制器之后，在電池和開關穩壓器之間必須增加瞬態電壓抑制器(如MOV)和旁路電容器。這些簡單電路圍繞P溝MOS FET設計(見圖1)。當輸入電壓VBAT低于齊納二極管Z2的擊穿電壓時MOSFET工作在飽和狀態。在輸入電壓瞬變期間，MOSFET阻止高于Z2擊穿電壓的電壓。此電路的缺點是元件數多和P溝MOSFET費用。

圖1 用P溝MOSFET的一般電壓保護電路

另一種方法包含1個NPN晶體管，其集電極連接到電池上，發射極連接到下游電路。連接在晶體管基極和地之間的齊納二極管箝位基極電壓，因此調整發射極電壓(VBE)低于電壓V2。盡管此電路比MOSFET電路成本低，但效率低。此外，跨接在晶體管上的壓降增加了最小工作電池電壓，此電壓在冷曲軸期間是關鍵性的。

第3種可能的方案包含1個N溝MOSFET，用做阻塞元件。N溝MOSFET比P溝MOSFET便宜。然而，驅動柵極的電路是比較復雜的，柵極上的電壓必須高于源極上的電壓。Maxim公司的MAX6398包含1個驅動外部N溝MOSFET的內部電荷泵(圖2)。在負載卸載期間，當VBAT高于設置限值時MOSFET完全關斷;只要VBAT保持大于設置電壓，它就一直保持關斷狀態。MAX6398控制N溝MOSFET來保護高性能電源防止來自汽車過壓。連接下游的MAX5073 2MHz兩輸出降壓變器減小了電路尺寸。保護器與低電壓/高頻電源相接合的方法與工作在顯著較低頻率的高壓變換器相比節省空間和成本。

圖2 N溝MOSFET開關用做阻塞器件