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车载导航设计之电源车载导航设计之电源汽车电子硬件部：赵宽安汽车电子硬件部：赵宽安2021/5/271车载导航设计之电源车载导航设计之电源一、概述一、概述二、汽车电源的特点二、汽车电源的特点三、电源输入部分电路分析三、电源输入部分电路分析四、输入电压欠压保护电路分析四、输入电压欠压保护电路分析五、线性稳压电源五、线性稳压电源六、降压型开关稳压电源六、降压型开关稳压电源七、升压型开关稳压电源七、升压型开关稳压电源2021/5/272一、概述一、概述 我们都知道车载导航应用场合比较特殊、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，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，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。原则以及调试注意事项。2021/5/273二、汽车电源的特点二、汽车电源的特点1.正常工作电压波动范围大，工作电压：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汽车长时间停放在室外，温度变化范围较宽，储存温度：存温度：-40+85度，工作温度：度，工作温度：-30+70度度4.安装防呆要求（电源反接、输出电源碰地短路等）安装防呆要求（电源反接、输出电源碰地短路等）5.较高的较高的EMI要求（传导、辐射）要求（传导、辐射）6.较低的待机功耗要求较低的待机功耗要求7.工作时振动等级高工作时振动等级高2021/5/274三、电源输入部分电路分析三、电源输入部分电路分析1.功能功能 电源防反接保护电源防反接保护 瞬态脉冲抑制（输瞬态脉冲抑制（输 入过压保护）入过压保护）传导骚扰抑制传导骚扰抑制抗启动干扰抗启动干扰输入电源滤波输入电源滤波2021/5/2752.设计注意事项设计注意事项 保险丝：注意熔断阀值电流大于机器最大工保险丝：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。稳度特性及耐压。TVS管：根据车厂管：根据车厂CI要求的等级，选择合适要求的等级，选择合适功率的功率的TVS管，同时注意其阀值电压不能超过管，同时注意其阀值电压不能超过后面其它器件的耐压后面其它器件的耐压 二级管：考虑后级电路工作电流二级管：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。加交流电测试。电容：耐压、容量、工作温度及电容的等效电容：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）串联电阻（直接影响到传导骚扰的性能）2021/5/276四、输入电压欠压保护电路分析四、输入电压欠压保护电路分析1.功能功能 保证不消耗掉汽车保证不消耗掉汽车点火电压点火电压 降低异常电压造成降低异常电压造成系统重启的概率系统重启的概率 保证部分器件在异保证部分器件在异常电压状态后能自动常电压状态后能自动重置。重置。2021/5/2782.设计注意事项设计注意事项 电阻：采样尽量选用精密电阻，以保证误差不电阻：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。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（当输入电压注意其钳位电压（当输入电压Ui2.5V时，输出时，输出U。=2V;Ui2.5V时，输出时，输出U。=Ui）三极管：注意三级管的温度特性（高温导通阀三极管：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。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，：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。这个时候的状态维持由输出外围电阻保持。2021/5/279五、线性稳压电源五、线性稳压电源1.线性稳压电源的特点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，优点：成本低、输出纹波小、瞬态响应特性好，无无EMI（电磁干扰）问题，外围器件少，（电磁干扰）问题，外围器件少，PCB面面积小。积小。缺点：效率低、功耗大缺点：效率低、功耗大 应用场合：低压差、轻负载，对纹波要求较高应用场合：低压差、轻负载，对纹波要求较高的场合。的场合。2021/5/27101.线性稳压电源工作原理线性稳压电源工作原理 通过负反馈调整通过负反馈调整MOS（三极管）的压降以使输出电压不变。（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，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。当输出电压从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时，基准电压与取样降低时，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，若输出电压管压降减小，从而使输出电压升高。相反，若输出电压Uout超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。输出电压降低。2021/5/27112.线性稳压电源应用线性稳压电源应用传统型线性稳压电源：传统型线性稳压电源：达林顿管达林顿管低压差线性稳压电源低压差线性稳压电源（LDO）：）：PNP、PMOS、NMOS2021/5/2712 3.线性稳压电源设计注意事项线性稳压电源设计注意事项稳压芯片：稳压芯片：输入电压输入电压-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。，此值不能大于芯片的额定耗散功耗。芯片的温度特性芯片的温度特性-Tcmax Tj-P*Rjc，保证车机在高温环境下结，保证车机在高温环境下结温不超标，且需考虑一定余量温不超标，且需考虑一定余量 芯片的静态功耗芯片的静态功耗-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。例如就要注意这项参数了。例如78M05在在12V供电不带任何负载时输入电供电不带任何负载时输入电流大概有流大概有3.5MA左右左右反馈电阻：反馈电阻：为保证输出电压精度，建议尽量选用为保证输出电压精度，建议尽量选用1%精度的电阻，电阻的取值考精度的电阻，电阻的取值考虑静态功耗。虑静态功耗。输出电容：输出电容：部分部分LDO对输出电容的对输出电容的ESR要求较高，如要求较高，如AP11172021/5/2713六、降压型开关稳压电源六、降压型开关稳压电源1.降压开关稳压电源的特点降压开关稳压电源的特点 优点：高转换效率、高输出电流、低静态电优点：高转换效率、高输出电流、低静态电流、宽输入电压范围。流、宽输入电压范围。缺点：相对成本较高、输出纹波大、缺点：相对成本较高、输出纹波大、EMI性能性能较差，占较差，占PCB面积较大。面积较大。应用场合：高压差、大电流，对纹波要求不应用场合：高压差、大电流，对纹波要求不高的场合。高的场合。2021/5/27142.工作原理工作原理在开关在开关S导通时，输入电源导通时，输入电源跟负载供电的同时，向跟负载供电的同时，向L、C储能，在开关储能，在开关S断开时由断开时由L、C释放能量给负载供电释放能量给负载供电 Buck电路电路（降压斩波电路）（降压斩波电路）关键器件的特性关键器件的特性电感：流经电感的电流不电感：流经电感的电流不能突变，感量越大电流增能突变，感量越大电流增加越慢。电感的电磁转换加越慢。电感的电磁转换与磁储能。与磁储能。电容：电容两端的电压不电容：电容两端的电压不能突变，容量越大变化越能突变，容量越大变化越小小2021/5/27153.降压开关电源应用降压开关电源应用4.电源的工作模式电源的工作模式CCM、BCM、DCM：CCM：Continous Conduction Mode 连续导通模式连续导通模式 BCM：Boundary Conduction Mode 临界导通模式临界导通模式 DCM：Discontinous Conducion Mode 断续导通模式断续导通模式 2021/5/2716CCM特点：电流尖峰较小，同等电容的状态下输出纹波纹波特点：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。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，所以尖峰电压更电流关断，所以尖峰电压更小，损耗更低。小，损耗更低。CCM：IL IL/2BCM：IL=IL/2DCM：IL IL/22021/5/2717L:最小电感量，单位最小电感量，单位HVIN(MAX):最大输入电压，单位最大输入电压，单位VVOUT(MAX):最大输出电压，单位最大输出电压，单位V IL:电感纹波电流峰峰值，单位电感纹波电流峰峰值，单位A。一般情况下，。一般情况下，IL 可以选可以选择在择在20%*IOUT_max 到到30%*IOUT_max 范围内。范围内。FOSC:开关频率，单位开关频率，单位Hz5关键器件的选型及注意事项关键器件的选型及注意事项开关储能电感：利用开关储能电感：利用“电感的电磁特性电感的电磁特性”实现储能，利用实现储能，利用“电感电感电流不能突变电流不能突变”的原则实现滤波，电感在的原则实现滤波，电感在BUCK电路中应用时需电路中应用时需特别关注特别关注“电感量电感量”、“额定电流额定电流”，它们的取值原则如下。，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：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：2021/5/2718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倍，峰值电流的计算公式如下：如下：电感的耗散功率（其中电感的耗散功率（其中DCR为电感的直流电阻）：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，输入电容一般选低般选低ESR的陶瓷电容或者是多个电容并联以降低的陶瓷电容或者是多个电容并联以降低ESR。2021/5/2719输入电容容量的选择：输入电容容量的选择：CIN(MIN):最小电容量，单位最小电容量，单位FVPP:纹波电压，单位纹波电压，单位VIO:输出电流，单位输出电流，单位AESR:电容的等效串联电阻，单位电容的等效串联电阻，单位fs:开关频率，单位开关频率，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路纹波电流的30%）：）：当当VOUT=VIN/2 时，为最严酷的条件，此时的公式时，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。我们一般按此公式取值。2021/5/2720输出电容容量的选择：输出电容容量的选择：COUT:输出最小容量，单位输出最小容量，单位F ILOAD:瞬态负载电流，单位瞬态负载电流，单位AVDROOP:瞬态塌陷电压，单位瞬态塌陷电压，单位Vfs:开关频率，单位开关频率，单位HZ 输入电容的输入电容的ESR选择（选择（VO为输出纹波电压）：为输出纹波电压）：输出纹波的计算输出纹波的计算2021/5/2721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。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：境下正常工作：TJVF*IO*RjaTA 开关芯片的选择：输入电压范围，输出电流，开关频率，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，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电路芯片的损耗主要来自MOS管导通损耗、开关损管导通损耗、开关损耗及场效应管的耗及场效应管的栅极损耗等，以下为栅极损耗等，以下为TPS54331芯片功耗及结芯片功耗及结温的计算公式：温的计算公式：2021/5/27222021/5/27236.BUCK稳压电源稳压电源LAYOUT 输入电容紧靠芯片管脚，续流二级管输入电容紧靠芯片管脚，续流二级管、储能电感紧靠芯片管、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。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，有些应用还会增加会增加“前馈电容前馈电容”，目的是为了优化瞬态响应。反馈电阻选，目的是为了优化瞬态响应。反馈电阻选用精度用精度1%的电阻，保证输出精度不超过计算值的的电阻，保证输出精度不超过计算值的2%，电阻取，电阻取值在某些应用时取值不宜过小，以保证低静态电流。值在某些应用时取值不宜过小，以保证低静态电流。BUCK的的电压输出公式如下：电压输出公式如下：2021/5/2724七、升压型开关稳压电源七、升压型开关稳压电源1.工作原理工作原理在开关在开关S导通时，二级管导通时，二级管D截截止，负载供电由电容提供，止，负载供电由电容提供，同时电感完成储能，当开关同时电感完成储能，当开关S断开时，电感上的能量通断开时，电感上的能量通过二级管向电容及负载释放。过二级管向电容及负载释放。BOOST电路电路（升压开关电路）（升压开关电路）BOOST电路特点电路特点如果工作在如果工作在CCM模式，电感模式，电感上始终有电流，相对来说对上始终有电流，相对来说对输入的电源干扰较小。另外输入的电源干扰较小。另外也具备高效率、小体积，输也具备高效率、小体积，输出纹波大，出纹波大，EMI辐射大的特辐射大的特点。点。2021/5/2725 2.BOOST电路（升压开关电路）应用电路（升压开关电路）应用3.关键器件的选型：关键器件的选型：电源反馈部分器件的选择：稳定输出电压电源反馈部分器件的选择：稳定输出电压/电流，过压保护。电流，过压保护。反馈电阻选用精度反馈电阻选用精度1%的电阻，以保证相应电压的电阻，以保证相应电压/电流精度。电电流精度。电阻取值在某些应用时取值不宜过小，以保证低静态电流。阻取值在某些应用时取值不宜过小，以保证低静态电流。2021/5/2726储能电感的感量选择：储能电感的感量选择：开关储能电感的占空比：开关储能电感的占空比：D=(VOUT+VD-VIN)/(VOUT+VD)VD:二极管导通压降二极管导通压降电感量选择：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：电感感量，单位H VLON:开关开关S导通时电感上的电压导通时电感上的电压,单位单位VVLOFF:开关开关S断开时电感上的电压断开时电感上的电压,单位单位V IL:流经电感的平均电流流经电感的平均电流r:电流纹波率（电流纹波率（rI/IL），通常取），通常取0.20.3之间之间之间之间f：开关频率，单位：开关频率，单位HZ2021/5/2727储能电感的额定电流：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电流的1.251.5倍，峰值电流的计算公式如下：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：输出电容的容量选择：输出电容的输出电容的ESR要求：要求：2021/5/2728谢谢谢谢2021/5/2729