車載導航設計之電源

1、車載導航設計之電源車載導航設計之電源汽車電子硬件部：趙寬安汽車電子硬件部：趙寬安車載導航設計之電源車載導航設計之電源一、概述一、概述二、汽車電源的特點二、汽車電源的特點三、電源輸入部分電路分析三、電源輸入部分電路分析四、輸入電壓欠壓保護電路分析四、輸入電壓欠壓保護電路分析五、線性穩(wěn)壓電源五、線性穩(wěn)壓電源六、降壓型開關穩(wěn)壓電源六、降壓型開關穩(wěn)壓電源七、升壓型開關穩(wěn)壓電源七、升壓型開關穩(wěn)壓電源一、概述一、概述 我們都知道車載導航應用場合比較特殊、我們都知道車載導航應用場合比較特殊、車廠對車載電子產品的質量要求較高、此次車廠對車載電子產品的質量要求較高、此次交流將針對車機產品的特殊要求，結合公司交流

2、將針對車機產品的特殊要求，結合公司目前的設計，講解車載導航電源的設計要求，目前的設計，講解車載導航電源的設計要求，電路的工作原理，關鍵器件的參數選擇，電路的工作原理，關鍵器件的參數選擇，LAYOUT原則以及調試注意事項。原則以及調試注意事項。二、汽車電源的特點二、汽車電源的特點1.正常工作電壓波動范圍大，工作電壓：正常工作電壓波動范圍大，工作電壓：916V2.汽車上設備的啟動、停止等狀態(tài)時，造成較高的汽車上設備的啟動、停止等狀態(tài)時，造成較高的尖峰脈沖，詳見車廠相關標準尖峰脈沖，詳見車廠相關標準3.汽車長時間停放在室外，溫度變化范圍較寬，儲汽車長時間停放在室外，溫度變化范圍較寬，儲存溫度：存溫度

3、：-40+85度，工作溫度：度，工作溫度：-30+70度度4.安裝防呆要求（電源反接、輸出電源碰地短路等）安裝防呆要求（電源反接、輸出電源碰地短路等）5.較高的較高的EMI要求（傳導、輻射）要求（傳導、輻射）6.較低的待機功耗要求較低的待機功耗要求7.工作時振動等級高工作時振動等級高三、電源輸入部分電路分析三、電源輸入部分電路分析1.功能功能 電源防反接保護電源防反接保護 瞬態(tài)脈沖抑制（輸瞬態(tài)脈沖抑制（輸 入過壓保護）入過壓保護） 傳導騷擾抑制傳導騷擾抑制抗啟動干擾抗啟動干擾輸入電源濾波輸入電源濾波2.設計注意事項設計注意事項 保險絲：注意熔斷閥值電流大于機器最大工保險絲：注意熔斷閥值電流大于

4、機器最大工作電流，如果采用自恢復保險絲，還需考慮其作電流，如果采用自恢復保險絲，還需考慮其穩(wěn)度特性及耐壓。穩(wěn)度特性及耐壓。 TVS管：根據車廠管：根據車廠CI要求的等級，選擇合適要求的等級，選擇合適功率的功率的TVS管，同時注意其閥值電壓不能超過管，同時注意其閥值電壓不能超過后面其它器件的耐壓后面其它器件的耐壓 二級管：考慮后級電路工作電流二級管：考慮后級電路工作電流 電感：考慮電感量及額定電流，注意磁環(huán)的電感：考慮電感量及額定電流，注意磁環(huán)的材質，目前已知的非晶電感不能通過實驗室疊材質，目前已知的非晶電感不能通過實驗室疊加交流電測試。加交流電測試。 電容：耐壓、容量、工作溫度及電容的等效電容

5、：耐壓、容量、工作溫度及電容的等效串聯電阻（直接影響到傳導騷擾的性能）串聯電阻（直接影響到傳導騷擾的性能） 3.LAYOUT注意事項注意事項 自恢復保險絲盡量遠離熱源自恢復保險絲盡量遠離熱源 電源輸入經過保險絲后首先經過電源輸入經過保險絲后首先經過TVS管管 電源走線需遵循流經電容原則電源走線需遵循流經電容原則 電源走線需考慮電流需求，在條件容許的條電源走線需考慮電流需求，在條件容許的條件下盡可能加寬件下盡可能加寬 插件器件焊盤做熱焊盤設計，元件反面焊盤插件器件焊盤做熱焊盤設計，元件反面焊盤離反面貼片器件離反面貼片器件4MM，以方便產線波峰焊，以方便產線波峰焊 4.生產工藝要求：生產工藝要求：

6、 大體積器件（電感、電容）注意打膠固定大體積器件（電感、電容）注意打膠固定四、輸入電壓欠壓保護電路分析四、輸入電壓欠壓保護電路分析1.功能功能 保證不消耗掉汽車保證不消耗掉汽車點火電壓點火電壓 降低異常電壓造成降低異常電壓造成系統(tǒng)重啟的概率系統(tǒng)重啟的概率 保證部分器件在異保證部分器件在異常電壓狀態(tài)后能自動常電壓狀態(tài)后能自動重置。重置。2.設計注意事項設計注意事項 電阻：采樣盡量選用精密電阻，以保證誤差不電阻：采樣盡量選用精密電阻，以保證誤差不會太大，如果是在常電上取樣，還需考慮待機功會太大，如果是在常電上取樣，還需考慮待機功耗和驅動電流是否符合要求。耗和驅動電流是否符合要求。 三端子穩(wěn)壓：注意

7、陰極最小工作電流，另外需三端子穩(wěn)壓：注意陰極最小工作電流，另外需注意其鉗位電壓（當輸入電壓注意其鉗位電壓（當輸入電壓Ui2.5V時，輸出時，輸出U。=2V;Ui2.5V時，輸出時，輸出U。=Ui） 三極管：注意三級管的溫度特性（高溫導通閥三極管：注意三級管的溫度特性（高溫導通閥值降低），設計時需留夠充足的余量。值降低），設計時需留夠充足的余量。 IMP809：電壓低到一定狀態(tài)下，芯片不在工：電壓低到一定狀態(tài)下，芯片不在工作，這個時候的狀態(tài)維持由輸出外圍電阻保持。作，這個時候的狀態(tài)維持由輸出外圍電阻保持。五、線性穩(wěn)壓電源五、線性穩(wěn)壓電源1.線性穩(wěn)壓電源的特點線性穩(wěn)壓電源的特點 優(yōu)點：成本低、輸出

8、紋波小、瞬態(tài)響應特性好，優(yōu)點：成本低、輸出紋波小、瞬態(tài)響應特性好，無無EMI（電磁干擾）問題，外圍器件少，（電磁干擾）問題，外圍器件少，PCB面面積小。積小。 缺點：效率低、功耗大缺點：效率低、功耗大 應用場合：低壓差、輕負載，對紋波要求較高應用場合：低壓差、輕負載，對紋波要求較高的場合。的場合。1.線性穩(wěn)壓電源工作原理線性穩(wěn)壓電源工作原理 通過負反饋調整通過負反饋調整MOS（三極管）的壓降以使輸出電壓不變。（三極管）的壓降以使輸出電壓不變。取樣電壓加在比較放大器的同向輸入端，與加在反向輸入的基取樣電壓加在比較放大器的同向輸入端，與加在反向輸入的基準電源相比較，兩者的差值經放大后，控制串聯調整

9、管的壓降，準電源相比較，兩者的差值經放大后，控制串聯調整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。當輸出電壓從而穩(wěn)定輸出電壓。當輸出電壓Uout降低時，基準電壓與取樣降低時，基準電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅動電壓增加，串聯調整電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅動電壓增加，串聯調整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超超過所需要的設定值，比較放大器輸出的驅動電壓減小，從而使過所需要的設定值，比較放大器輸出的驅動電壓減小，從而使輸出電壓降低。輸出電壓降低。2.線性穩(wěn)壓電源應用線性穩(wěn)壓電源應用傳統(tǒng)型線性穩(wěn)壓電源：傳統(tǒng)型線性穩(wěn)壓電源

10、：達林頓管達林頓管低壓差線性穩(wěn)壓電源低壓差線性穩(wěn)壓電源（LDO）：）：PNP、PMOS、NMOS 3.線性穩(wěn)壓電源設計注意事項線性穩(wěn)壓電源設計注意事項穩(wěn)壓芯片：穩(wěn)壓芯片： 輸入電壓輸入電壓-不能超過芯片的最大輸入電壓，滿足芯片最小壓差要求不能超過芯片的最大輸入電壓，滿足芯片最小壓差要求 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額定耗散功耗。，此值不能大于芯片的額定耗散功耗。 芯片的溫度特性芯片的溫度特性-Tcmax Tj - P*Rjc，保證車機在高溫環(huán)境下結，保證車機在高溫環(huán)境下結溫不超標，且需考慮一定余量溫不超標，且需考慮一定余量 芯片的靜態(tài)功耗芯片的靜態(tài)功

11、耗- 有些線性穩(wěn)壓電源在機器休眠時還要工作，此時有些線性穩(wěn)壓電源在機器休眠時還要工作，此時就要注意這項參數了。例如就要注意這項參數了。例如78M05在在12V供電不帶任何負載時輸入電供電不帶任何負載時輸入電流大概有流大概有3.5MA左右左右反饋電阻：反饋電阻： 為保證輸出電壓精度，建議盡量選用為保證輸出電壓精度，建議盡量選用1%精度的電阻，電阻的取值考精度的電阻，電阻的取值考慮靜態(tài)功耗。慮靜態(tài)功耗。輸出電容：輸出電容： 部分部分LDO對輸出電容的對輸出電容的ESR要求較高，如要求較高，如AP1117六、降壓型開關穩(wěn)壓電源六、降壓型開關穩(wěn)壓電源1.降壓開關穩(wěn)壓電源的特點降壓開關穩(wěn)壓電源的特點 優(yōu)

12、點：高轉換效率、高輸出電流、低靜態(tài)電優(yōu)點：高轉換效率、高輸出電流、低靜態(tài)電流、寬輸入電壓范圍。流、寬輸入電壓范圍。 缺點：相對成本較高、輸出紋波大、缺點：相對成本較高、輸出紋波大、EMI性能性能較差，占較差，占PCB面積較大。面積較大。 應用場合：高壓差、大電流，對紋波要求不應用場合：高壓差、大電流，對紋波要求不高的場合。高的場合。2.工作原理工作原理在開關在開關S導通時，輸入電源導通時，輸入電源跟負載供電的同時，向跟負載供電的同時，向L、C儲能，在開關儲能，在開關S斷開時由斷開時由L、C釋放能量給負載供電釋放能量給負載供電 Buck電路電路（降壓斬波電路）（降壓斬波電路）關鍵器件的特性關鍵器

13、件的特性電感：流經電感的電流不電感：流經電感的電流不能突變，感量越大電流增能突變，感量越大電流增加越慢。電感的電磁轉換加越慢。電感的電磁轉換與磁儲能。與磁儲能。電容：電容兩端的電壓不電容：電容兩端的電壓不能突變，容量越大變化越能突變，容量越大變化越小小3.降壓開關電源應用降壓開關電源應用4.電源的工作模式電源的工作模式CCM、BCM、DCM： CCM：Continous Conduction Mode 連續(xù)導通模式連續(xù)導通模式 BCM：Boundary Conduction Mode 臨界導通模式臨界導通模式 DCM：Discontinous Conducion Mode 斷續(xù)導通模式斷續(xù)導通

14、模式 CCM特點：電流尖峰較小，同等電容的狀態(tài)下輸出紋波紋波特點：電流尖峰較小，同等電容的狀態(tài)下輸出紋波紋波小。同時對開關管的耐電流能力要求較低。小。同時對開關管的耐電流能力要求較低。DCM特點：瞬態(tài)響應快，負載電流或輸入電壓突變引起的輸特點：瞬態(tài)響應快，負載電流或輸入電壓突變引起的輸出電壓尖峰更低，由于整流管是出電壓尖峰更低，由于整流管是0電流關斷，所以尖峰電壓更電流關斷，所以尖峰電壓更小，損耗更低。小，損耗更低。CCM：IL IL /2BCM：IL = IL /2DCM：IL IL /2L:最小電感量，單位最小電感量，單位HVIN(MAX):最大輸入電壓，單位最大輸入電壓，單位VVOUT(

15、MAX):最大輸出電壓，單位最大輸出電壓，單位V IL : 電感紋波電流峰峰值，單位電感紋波電流峰峰值，單位A。一般情況下，。一般情況下，IL 可以選可以選擇在擇在20%*IOUT_max 到到30%*IOUT_max 范圍內。范圍內。FOSC:開關頻率，單位開關頻率，單位Hz5.關鍵器件的選型及注意事項關鍵器件的選型及注意事項開關儲能電感：利用開關儲能電感：利用“電感的電磁特性電感的電磁特性”實現儲能，利用實現儲能，利用“電感電感電流不能突變電流不能突變”的原則實現濾波，電感在的原則實現濾波，電感在BUCK電路中應用時需電路中應用時需特別關注特別關注“電感量電感量”、“額定電流額定電流”，它

16、們的取值原則如下。，它們的取值原則如下。 電感量的取值：取值過大影響瞬態(tài)響應速度，過小會導致輸出電感量的取值：取值過大影響瞬態(tài)響應速度，過小會導致輸出紋波偏大，考慮到電感的誤差及額定電流下降幅的影響，電感取紋波偏大，考慮到電感的誤差及額定電流下降幅的影響，電感取值一般取稍大于計算值的一個常規(guī)電感，具體的計算公式如下：值一般取稍大于計算值的一個常規(guī)電感，具體的計算公式如下：開關電感的額定電流：一般情況下，所選用的電感飽和電流的開關電感的額定電流：一般情況下，所選用的電感飽和電流的最小值應為電感峰值電流的最小值應為電感峰值電流的1.251.5倍，峰值電流的計算公式倍，峰值電流的計算公式如下：如下：

17、 電感的耗散功率（其中電感的耗散功率（其中DCR為電感的直流電阻）：為電感的直流電阻）：輸入濾波電容：抑制開關電路工作時造成的紋波，使開關電路輸入濾波電容：抑制開關電路工作時造成的紋波，使開關電路工作穩(wěn)定，同時避免干擾信號串入電源。電容的選型主要需考工作穩(wěn)定，同時避免干擾信號串入電源。電容的選型主要需考慮電容的容量及有效紋波電流?；诖藘身椏紤]，輸入電容一慮電容的容量及有效紋波電流?；诖藘身椏紤]，輸入電容一般選低般選低ESR的陶瓷電容或者是多個電容并聯以降低的陶瓷電容或者是多個電容并聯以降低ESR。輸入電容容量的選擇：輸入電容容量的選擇： CIN(MIN):最小電容量，單位最小電容量，單位F

18、VPP:紋波電壓，單位紋波電壓，單位VIO:輸出電流，單位輸出電流，單位AESR:電容的等效串聯電阻，單位電容的等效串聯電阻，單位fs:開關頻率，單位開關頻率，單位HZ 輸入電容的有效紋波電流選擇（電容的紋波電流取值需大于電輸入電容的有效紋波電流選擇（電容的紋波電流取值需大于電路紋波電流的路紋波電流的30%）：）：當當VOUT=VIN/2 時，為最嚴酷的條件，此時的公式時，為最嚴酷的條件，此時的公式IRMS=IOUT/2，我們一般按此公式取值。我們一般按此公式取值。輸出電容容量的選擇：輸出電容容量的選擇： COUT:輸出最小容量，單位輸出最小容量，單位F ILOAD:瞬態(tài)負載電流，單位瞬態(tài)負載

19、電流，單位AVDROOP:瞬態(tài)塌陷電壓，單位瞬態(tài)塌陷電壓，單位Vfs:開關頻率，單位開關頻率，單位HZ 輸入電容的輸入電容的ESR選擇（選擇（ VO為輸出紋波電壓）：為輸出紋波電壓）：輸出紋波的計算輸出紋波的計算續(xù)流二極管的選擇：在開關關斷期間為儲能電感提供能量釋放續(xù)流二極管的選擇：在開關關斷期間為儲能電感提供能量釋放通道，考慮到開關電源的轉換效率，一般選擇肖特基二極管。通道，考慮到開關電源的轉換效率，一般選擇肖特基二極管。由于電感電流不能突變的特性，二級管的有效電流、峰值電流由于電感電流不能突變的特性，二級管的有效電流、峰值電流與電感電流一致，考慮系統(tǒng)的可靠性，一般以與電感電流一致，考慮系統(tǒng)

20、的可靠性，一般以IO*2的電流值選的電流值選對應的二級管，同時需考慮二級管的耗散功率是否滿足高溫環(huán)對應的二級管，同時需考慮二級管的耗散功率是否滿足高溫環(huán)境下正常工作：境下正常工作：TJVF*IO* Rja+TA 開關芯片的選擇：輸入電壓范圍，輸出電流，開關頻率，開關芯片的選擇：輸入電壓范圍，輸出電流，開關頻率，轉換效率需滿足電路需求。另外需注意芯片的損耗，轉換效率需滿足電路需求。另外需注意芯片的損耗，BUCK電路芯片的損耗主要來自電路芯片的損耗主要來自MOS管導通損耗、開關損管導通損耗、開關損耗及場效應管的耗及場效應管的柵極損耗等，以下為柵極損耗等，以下為TPS54331芯片功耗及結芯片功耗及

21、結溫的計算公式：溫的計算公式： 6.BUCK穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源LAYOUT 輸入電容緊靠芯片管腳，續(xù)流二級管輸入電容緊靠芯片管腳，續(xù)流二級管 、儲能電感緊靠芯片管、儲能電感緊靠芯片管腳放置，避免開關節(jié)點走線太長造成干擾及損耗，輸出電容緊腳放置，避免開關節(jié)點走線太長造成干擾及損耗，輸出電容緊靠芯片放置，最終使輸入電容的地線、芯片的地、續(xù)流二級管靠芯片放置，最終使輸入電容的地線、芯片的地、續(xù)流二級管的地、輸出電容的地在表層回路最短。取樣部分電路盡量遠離的地、輸出電容的地在表層回路最短。取樣部分電路盡量遠離開關節(jié)點及電感。大電流的走線加粗，許多電源芯片的散熱是開關節(jié)點及電感。大電流的走線加粗，許多電源

22、芯片的散熱是通過地線管腳散熱，注意靠近其地線的管腳外多打過孔。另外通過地線管腳散熱，注意靠近其地線的管腳外多打過孔。另外車廠要求較高，建議預留屏蔽罩安裝位置。車廠要求較高，建議預留屏蔽罩安裝位置。電壓反饋部分器件的選擇：穩(wěn)定輸出電壓的作用，有些應用還電壓反饋部分器件的選擇：穩(wěn)定輸出電壓的作用，有些應用還會增加會增加“前饋電容前饋電容”，目的是為了優(yōu)化瞬態(tài)響應。反饋電阻選，目的是為了優(yōu)化瞬態(tài)響應。反饋電阻選用精度用精度1%的電阻，保證輸出精度不超過計算值的的電阻，保證輸出精度不超過計算值的2%，電阻取，電阻取值在某些應用時取值不宜過小，以保證低靜態(tài)電流。值在某些應用時取值不宜過小，以保證低靜態(tài)電

23、流。BUCK的的電壓輸出公式如下：電壓輸出公式如下： 七、升壓型開關穩(wěn)壓電源七、升壓型開關穩(wěn)壓電源1.工作原理工作原理在開關在開關S導通時，二級管導通時，二級管D截截止，負載供電由電容提供，止，負載供電由電容提供，同時電感完成儲能，當開關同時電感完成儲能，當開關S斷開時，電感上的能量通斷開時，電感上的能量通過二級管向電容及負載釋放。過二級管向電容及負載釋放。 BOOST電路電路（升壓開關電路）（升壓開關電路）BOOST電路特點電路特點如果工作在如果工作在CCM模式，電感模式，電感上始終有電流，相對來說對上始終有電流，相對來說對輸入的電源干擾較小。另外輸入的電源干擾較小。另外也具備高效率、小體積，輸也具備高效率、小體積，輸出紋波大，出紋波大，EMI