车载导航设计之电源

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,车载导航设计之电源,汽车电子硬件部：赵宽安,车载导航设计之电源,一、概述,二、汽车电源的特点,三、电源输入部分电路分析,四、输入电压欠压保护电路分析,五、线性稳压电源,六、降压型开关稳压电源,七、升压型开关稳压电源,一、概述,我们都知道车载导航应用场合比较特殊、车厂对车载电子产品的质量要求较高、此次交流将针对车机产品的特殊要求，结合公司目前的设计，讲解车载导航电源的设计要求，电路的工作原理，关键器件的参数选择，,LAYOUT,原则以及调试注意事项。,二、汽车电源的特点,1.,正常工作电压波动范围大，工作电压：,916V,2.,汽车上设备的启动、停止等状态时，造成较高的尖峰脉冲，详见车厂相关标准,3.,汽车长时间停放在室外，温度变化范围较宽，储存温度：,-40+85,度，工作温度：,-30+70,度,4.,安装防呆要求（电源反接、输出电源碰地短路等）,5.,较高的,EMI,要求（传导、辐射）,6.,较低的待机功耗要求,7.,工作时振动等级高,三、电源输入部分电路分析,1.,功能,电源防反接保护,瞬态脉冲抑制（输 入过压保护）,传导骚扰抑制,抗启动干扰,输入电源滤波,2.,设计注意事项,保险丝：注意熔断阀值电流大于机器最大工作电流，如果采用自恢复保险丝，还需考虑其稳度特性及耐压。,TVS,管：根据车厂,CI,要求的等级，选择合适功率的,TVS,管，同时注意其阀值电压不能超过后面其它器件的耐压,二级管：考虑后级电路工作电流,电感：考虑电感量及额定电流，注意磁环的材质，目前已知的非晶电感不能通过实验室叠加交流电测试。,电容：耐压、容量、工作温度及电容的等效串联电阻（直接影响到传导骚扰的性能）,3.LAYOUT,注意事项,自恢复保险丝尽量远离热源,电源输入经过保险丝后首先经过,TVS,管,电源走线需遵循流经电容原则,电源走线需考虑电流需求，在条件容许的条件下尽可能加宽,插件器件焊盘做热焊盘设计，元件反面焊盘离反面贴片器件,4MM,，以方便产线波峰焊,4.,生产工艺要求：,大体积器件（电感、电容）注意打胶固定,四、输入电压欠压保护电路分析,1.,功能,保证不消耗掉汽车点火电压,降低异常电压造成系统重启的概率,保证部分器件在异常电压状态后能自动重置。,2.,设计注意事项,电阻：采样尽量选用精密电阻，以保证误差不会太大，如果是在常电上取样，还需考虑待机功耗和驱动电流是否符合要求。,三端子稳压：注意阴极最小工作电流，另外需注意其钳位电压（当输入电压,Ui2.5V,时，输出,U,。,=2V;Ui2.5V,时，输出,U,。,=Ui,）,三极管：注意三级管的温度特性（高温导通阀值降低），设计时需留够充足的余量。,IMP809,：电压低到一定状态下，芯片不在工作，这个时候的状态维持由输出外围电阻保持。,五、线性稳压电源,1.,线性稳压电源的特点,优点：成本低、输出纹波小、瞬态响应特性好，无,EMI,（电磁干扰）问题，外围器件少，,PCB,面积小。,缺点：效率低、功耗大,应用场合：低压差、轻负载，对纹波要求较高的场合。,1.,线性稳压电源工作原理,通过负反馈调整,MOS,（三极管）的压降以使输出电压不变。取样电压加在比较放大器的同向输入端，与加在反向输入的基准电源相比较，两者的差值经放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。当输出电压,Uout,降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电压增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高。相反，若输出电压,Uout,超过所需要的设定值，比较放大器输出的驱动电压减小，从而使输出电压降低。,2.,线性稳压电源应用,传统型线性稳压电源：达林顿管,低压差线性稳压电源（,LDO,）：,PNP,、,PMOS,、,NMOS,3.,线性稳压电源设计注意事项,稳压芯片：,输入电压,-,不能超过芯片的最大输入电压，满足芯片最小压差要求,芯片的耗散功率,-W=(Vi-Vo)*I,，此值不能大于芯片的额定耗散功耗。,芯片的温度特性,-Tcmax,Tj-P*Rjc,，保证车机在高温环境下结温不超标，且需考虑一定余量,芯片的静态功耗,-,有些线性稳压电源在机器休眠时还要工作，此时就要注意这项参数了。例如,78M05,在,12V,供电不带任何负载时输入电流大概有,3.5MA,左右,反馈电阻：,为保证输出电压精度，建议尽量选用,1%,精度的电阻，电阻的取值考虑静态功耗。,输出电容：,部分,LDO,对输出电容的,ESR,要求较高，如,AP1117,六、降压型开关稳压电源,1.,降压开关稳压电源的特点,优点：高转换效率、高输出电流、低静态电流、宽输入电压范围。,缺点：相对成本较高、输出纹波大、,EMI,性能较差，占,PCB,面积较大。,应用场合：高压差、大电流，对纹波要求不高的场合。,2.,工作原理,在开关,S,导通时，输入电源跟负载供电的同时，向,L,、,C,储能，在开关,S,断开时由,L,、,C,释放能量给负载供电,Buck,电路,（降压斩波电路）,关键器件的特性,电感：流经电感的电流不能突变，感量越大电流增加越慢。电感的电磁转换与磁储能。,电容：电容两端的电压不能突变，容量越大变化越小,3.,降压开关电源应用,4.,电源的工作模式,CCM,、,BCM,、,DCM,：,CCM,：,Continous Conduction Mode,连续导通模式,BCM,：,Boundary Conduction Mode,临界导通模式,DCM,：,Discontinous Conducion Mode,断续导通模式,CCM,特点：电流尖峰较小，同等电容的状态下输出纹波纹波小。同时对开关管的耐电流能力要求较低。,DCM,特点：瞬态响应快，负载电流或输入电压突变引起的输出电压尖峰更低，由于整流管是,0,电流关断，所以尖峰电压更小，损耗更低。,CCM,：,I,L,I,L,/2,BCM,：,I,L,=,I,L,/2,DCM,：,I,L,I,L,/2,L:,最小电感量，单位,HV,IN(MAX),:,最大输入电压，单位,VV,OUT(MAX),:,最大输出电压，单位,V,I,L,:,电感纹波电流峰峰值，单位,A,。一般情况下，,IL,可以选择在,20%*IOUT_max,到,30%*IOUT_max,范围内。,F,OSC,:,开关频率，单位,Hz,5.,关键器件的选型及注意事项,开关储能电感：利用“电感的电磁特性”实现储能，利用“电感电流不能突变”的原则实现滤波，电感在,BUCK,电路中应用时需特别关注“电感量”、“额定电流”，它们的取值原则如下。,电感量的取值：取值过大影响瞬态响应速度，过小会导致输出纹波偏大，考虑到电感的误差及额定电流下降幅的影响，电感取值一般取稍大于计算值的一个常规电感，具体的计算公式如下：,开关电感的额定电流：一般情况下，所选用的电感饱和电流的最小值应为电感峰值电流的,1.251.5,倍，峰值电流的计算公式如下：,电感的耗散功率（其中,DCR,为电感的直流电阻）：,输入滤波电容：抑制开关电路工作时造成的纹波，使开关电路工作稳定，同时避免干扰信号串入电源。电容的选型主要需考虑电容的容量及有效纹波电流。基于此两项考虑，输入电容一般选低,ESR,的陶瓷电容或者是多个电容并联以降低,ESR,。,输入电容容量的选择：,C,IN(MIN),:,最小电容量，单位,FV,PP,:,纹波电压，单位,VI,O,:,输出电流，单位,AESR:,电容的等效串联电阻，单位,fs:,开关频率，单位,HZ,输入电容的有效纹波电流选择（电容的纹波电流取值需大于电路纹波电流的,30%,）：,当,VOUT=VIN/2,时，为最严酷的条件，此时的公式,I,RMS,=I,OUT,/2,，我们一般按此公式取值。,输出电容容量的选择：,C,OUT,:,输出最小容量，单位,F,I,LOAD,:,瞬态负载电流，单位,AV,DROOP,:,瞬态塌陷电压，单位,Vfs:,开关频率，单位,HZ,输入电容的,ESR,选择（,V,O,为输出纹波电压）：,输出纹波的计算,续流二极管的选择：在开关关断期间为储能电感提供能量释放通道，考虑到开关电源的转换效率，一般选择肖特基二极管。由于电感电流不能突变的特性，二级管的有效电流、峰值电流与电感电流一致，考虑系统的可靠性，一般以,IO*2,的电流值选对应的二级管，同时需考虑二级管的耗散功率是否满足高温环境下正常工作：,TJ,VF*IO*,Rja+TA,开关芯片的选择：输入电压范围，输出电流，开关频率，转换效率需满足电路需求。另外需注意芯片的损耗，,BUCK,电路芯片的损耗主要来自,MOS,管导通损耗、开关损耗及场效应管的,栅极损耗等，以下为,TPS54331,芯片功耗及结温的计算公式：,6.BUCK,稳压电源,LAYOUT,输入电容紧靠芯片管脚，续流二级管,、储能电感紧靠芯片管脚放置，避免开关节点走线太长造成干扰及损耗，输出电容紧靠芯片放置，最终使输入电容的地线、芯片的地、续流二级管的地、输出电容的地在表层回路最短。取样部分电路尽量远离开关节点及电感。大电流的走线加粗，许多电源芯片的散热是通过地线管脚散热，注意靠近其地线的管脚外多打过孔。另外车厂要求较高，建议预留屏蔽罩安装位置。,电压反馈部分器件的选择：稳定输出电压的作用，有些应用还会增加“前馈电容”，目的是为了优化瞬态响应。反馈电阻选用精度,1%,的电阻，保证输出精度不超过计算值的,2%,，电阻取值在某些应用时取值不宜过小，以保证低静态电流。,BUCK,的电压输出公式如下：,七、升压型开关稳压电源,1.,工作原理,在开关,S,导通时，二级管,D,截止，负载供电由电容提供，同时电感完成储能，当开关,S,断开时，电感上的能量通过二级管向电容及负载释放。,BOOST,电路,（升压开关电路）,BOOST,电路特点,如果工作在,CCM,模式，电感上始终有电流，相对来说对输入的电源干扰较小。另外也具备高效率、小体积，输出纹波大，,EMI,辐射大的特点。,2.BOOST,电路（升压开关电路）应用,3.,关键器件的选型：,电源反馈部分器件的选择：稳定输出电压,/,电流，过压保护。反馈电阻选用精度,1%,的电阻，以保证相应电压,/,电流精度。电阻取值在某些应用时取值不宜过小，以保证低静态电流。,储能电感的感量选择：,开关储能电感的占空比：,D=(V,OUT,+V,D,-V,IN,)/(V,OUT,+V,D,)V,D,:,二极管导通压降,电感量选择：,V,LON,V,IN,V,SW,V,IN,V,LOFF,V,OUT,V,D,VI,N,V,OUT,V,IN,I,L,Io/,（,1,D,）,L,V,LO,（,1,D,）,/(r*f*I,L,),V,LON,D/(r*f*I,L,),L,：电感感量，单位,H V,LON,:,开关,S,导通时电感上的电压,单位,VV,LOFF,:,开关,S,断开时电感上的电压,单位,V I,L,:,流经电感的平均电流,r:,电流纹波率（,r,I/IL,），通常取,0.20.3,之间之间,f,：开关频率，单位,HZ,储能电感的额定电流：,一般情况下，所选用的电感饱和电流的最小值应为电感峰值电流的,1.251.5,倍，峰值电流的计算公式如下：,IPK,IDC,IAC,（,1,r/2,）,IDC r,I/I,L,（,Vo,V,IN,）,（,1,D,）,/L f I,L,输出电容的容量选择：,输出电容的,ESR,要求：,谢谢,