车载导航设计之电源.ppt

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1、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：916V2.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

2、，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

3、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：

4、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。

5、,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

6、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

7、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

8、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：IL IL/2,BCM：IL=IL/2,DCM：IL IL/2,L:最小电感量，单位HVIN(MAX):最大输入电压，单位VVOUT(MAX):最大输出电压，单位V IL: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

9、围内。FOSC: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

10、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：CIN(MIN):最小电容量，单位FVPP:纹波电压，单位VIO: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IRMS=IOUT/2，我们一般按此公式取值。,输出电容容量的选择：COUT:输出最小容量，单位F ILOAD:瞬态负载电流，

11、单位AVDROOP:瞬态塌陷电压，单位Vfs:开关频率，单位HZ 输入电容的ESR选择（VO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：TJVF*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

12、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

13、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

14、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=(VOUT+VD-VIN)/(VOUT+VD)VD:二极管导通压降电感量选择：VLONVINVSWVIN VLOFFVOUTVDVINVOUTVIN ILIo/（1D）LVLO（1D）/(r*f*IL)VLOND/(r*f*IL)L：电感感量，单位H VLON:开关S导通时电感上的电压,单位VVLOFF:开关S断开时电感上的电压,单位V IL:流经电感的平均电流r:电流纹波率（rI/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：IPKIDCIAC（1r/2）IDC rI/IL（VoVIN）（1D）/L f IL 输出电容的容量选择：输出电容的ESR要求：,谢谢,