用于车辆跟踪系统的集成电源解决方案

作者：ADI公司 | Celso Aron、Dominic Clavillas、Jardine Penaflor

简介

车辆跟踪系统（VTS）通常安装在汽车和卡车中。VTS使用全球定位系统（GPS）等技术提供有关车辆的速度、位置和方向的实时信息。

要确保VTS可靠工作，需要配备稳健的DC-DC电源。电源的设计必须能够防止系统出现常见的汽车故障，如负载突降、冷启动、反极性以及ISO 7637-2和ISO 16750-2中描述的其他具有破坏性的潜在瞬变。

此外，如果车辆掉电，系统必须能够切换至备用电池以确保持续运行。最后，汽车电源必须符合汽车电磁干扰（EMI）标准，特别是CISPR 25的要求。

为了应对这些挑战，ADI公司开发了EVAL-ADVTS4152-EBZ电源解决方案，这是一款适用于车辆跟踪系统的高性能、简化电源解决方案。

图1.EVAL-ADVTS4152-EBZ电源解决方案评估板

集成解决方案

EVAL-ADVTS4152-EBZ电源解决方案集成三个主模块：LT4356-1浪涌抑制器、高效LT8609A降压稳压器和LTC4040电池备用电源管理器。这三个模块相互配合，向VTS等下游电子设备提供可靠高效的电源。

EVAL-ADVTS4152-EBZ与标称12 V或24 V系统兼容，旨在提供输出5 V、3 A连续电流。当汽车电池掉电时，系统会自动从单节锂离子电池（Li-Ion）或磷酸锂铁（LiFePO4）电池切换到备用电源。

图2.EVAL-ADVTS4152-EBZ功能框图

表1.EVAL-ADVTS4152-EBZ电气规格

浪涌抑制器

要设计一款能够应对高压瞬变的汽车电源极具挑战性，因为需要这样一款器件，既能耗散多余电力，同时不会损坏敏感的电子器件。EVAL-ADVTS4152-EBZ电源解决方案中的LT4356-1浪涌抑制器就可以保护系统免受高压瞬变的影响，在高压瞬变期间仍可持续运行。

LT4356-1驱动一个作为调整管的外部N沟道、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）（参见图3）。在正常工作模式下，LT4356-1使MOSFET完全开启，并提供从输入到下游负载的低阻抗路径。如果输入电压浪涌过高，LT4356-1就会控制MOSFET的栅极，并将输出电压调节至由OUT引脚到地之间的R33和R34电阻分压器设定的安全电压电平。MOSFET保持开启状态，直到接地的TMR引脚处连接的电容电荷（CTMR）达到1.35 V。此时，GATE引脚拉低，使MOSFET关闭。

负载突降

负载突降是高压瞬变的一个示例。当交流发电机在汽车电池充电期间与电池断开连接，造成电压浪涌时，就会发生负载突降。EVAL-ADVTS4152-EBZ使用LT4356-1浪涌抑制器保护敏感的汽车电子部件，可避免这种瞬态情况的影响。

测试设置

我们使用DC1950A负载突降生成器生成负载突降测试脉冲，并通过EVAL-ADVTS4152-EBZ输入传送。然后在EVAL-ADVTS4152-EBZ的输出施加一个1 A恒流负载。图4显示负载突降测试设置。

 

图4.负载突降测试设置

如图5所示，实际浪涌波形显示在通道2 （C2），浪涌电压为105.6 V，衰减约400 ms。输出电压保持在5 V，显示在通道 3 （C3），表示电源未中断。在图5中，LT4356-1响应也显示在通道1 （C1）。波形中的平坦区域表明芯片正在将电压调节到所需的38 V钳位电压（见图5）。

图5.EVAL-ADVTS4152-EBZ在高瞬态电压下的响应

降压稳压器

将LT4356-1的输出连接到LT8609A高效率降压稳压器的输入（见图6）。LT8609A具有3.0 V~42 V的宽输入范围。RT和地之间连接一个电阻，用于设置开关频率。用户通过SYNC引脚使能扩频调制，以实现低EMI运行。

电池备用电源管理器

为确保VTS连续工作，还必须提供一个备用电源，在汽车电池掉电时供电。EVAL-ADVTS4152-EBZ有一个LTC4040高电流、升压DC-DC稳压器，通过单节锂离子电池或LiFePO4电池提供备份电源（见图7）。

当LT4356-1的输出降至1.2 V电源失效输入（PFI）阈值以下时，2.5 A升压稳压器通过备用电池向下游负载供电。

图6.LT8609A降压稳压器

图7.LTC4040电池备用电源管理器

正常模式到备用电池模式

为了仿真掉电情况，断开EVAL-ADVTS4152-EBZ输入端的电源，查看从正常工作模式到备用电池模式的过渡波形。图9显示了测试设置。该仿真测试还显示了EVAL-ADVTS4152-EBZ如何在冷启动等欠压瞬变情况下继续运行。

在图8中，标称12 V输入显示在通道1 （C1）。通道3 （C3）中显示的系统输出表明，当12 V输入下降时，5 V输出未中断。此结果也表明在冷启动瞬变情况下，EVAL-ADVTS4152-EBZ仍可连续运行。

图8.EVAL-ADVTS4152-EBZ在掉电情况下的响应（VIN = 12 V和VOUT = 5 V）

选择电池充电电压

当汽车电池电源可用时，升压稳压器将作为降压电池充电器反向运行。充电电压可根据电池类型通过用户可选引脚配置。LTC4040为两种化学电池（锂离子电池和LiFePO4）各提供四种不同的充电电压选项，这些选项可通过S1、S2和S3滑动开关输入进行选择。表2显示了为两种电池选择充电电压的开关配置。

图9.掉电情况仿真测试设置

表2.备用电池的充电电压设置

热关断配置

如果需要防止异常高的直流电压，EVAL-ADVTS4152-EBZ还有一个可选的ADT6401引脚可选温度开关，可用于提供过温保护。有关基准电压源的详情，请参见EVAL-ADVTS4152-EBZ， UG-1916中的ADT6401原理图。

预合规测试

ISO 7637-2:2011和ISO 16750-2:2012标准

ISO 7637-2:2011和ISO 16750-2:2012标准描述了可能的瞬变情况并指定了瞬变仿真测试方法。需要满足的测试要求如图10所示，供参考。

图10.ISO 7637-2和ISO 16750-2测试要求

CISPR 25电磁辐射和传导辐射

CISPR 25是一项汽车标准，针对车载接收机规定了防电磁辐射和传导辐射保护要求。图11和图12显示了EVAL-ADVTS4152-EBZ的辐射EMI性能。图13和图14显示了传导EMI性能。图11至图14中的红线表示CISPR25 5类电磁辐射和传导辐射峰值限值。

参考文献

LT4356-1数据手册。ADI公司。

LT8609A数据手册。ADI公司。

LTC4040数据手册。ADI公司。

EVAL-ADVTS4152-EBZ电源解决方案用户指南（UG-1916）。ADI公司。

2019年8月，《模拟对话》第53卷，适用于恶劣汽车环境的综合电源系统设计占用极小空间，节省电池电量，并提供低EMI特性。ADI公司。

技术文章，低静态电流浪涌抑制器：符合ISO 7637-2和ISO 16750-2要求的可靠汽车电源保护。ADI公司。