适用于恶劣汽车环境的综合电源系统设计

作者：Bin Wu and Zhongming Ye

汽车技术的进步大大增加了现代汽车的电子含量，以提高安全性，改善驾驶体验，丰富娱乐功能，并使动力和能源多样化。我们继续投入工程资源来改善汽车市场的电源管理解决方案。这项工作中的许多技术在电源效率、紧凑性、鲁棒性和 EMI 性能方面取得了重大进展。

汽车应用的电源必须在恶劣条件下无故障运行——设计人员必须考虑所有紧急情况，包括负载突降、冷启动、电池反极性、双电池跳跃、尖峰和 LV 124、ISO 7637-2、ISO 17650-2 和 TL82066 中定义的其他瞬变，以及机械振动、噪声、极宽的温度范围、 等。本文重点介绍汽车电源规格和满足汽车规格的解决方案中的关键要求，包括：

汽车输入瞬变

输入电压范围

输出电压/电流

低静态电流（IQ)

电磁干扰 （EMI）

本文展示了几个示例解决方案，以说明高性能器件的组合如何轻松解决原本难以解决的汽车电源问题。

恶劣的汽车环境

图1显示了满足汽车应用苛刻要求的完整电源解决方案。在前端，LT8672 充当理想二极管，保护电路免受引擎盖下的恶劣条件和破坏性故障（如反极性）的影响。理想二极管之后是一系列低静态电流（IQ） 降压稳压器具有宽输入范围（工作电压低至 3 V 和高达 42 V），可为内核、I/O、DDR 和外围设备所需的其他电源轨提供稳压。

图1.ADI面向满足瞬态抗扰度要求的汽车电子线性电源解决方案概述。

这些稳压器具有超低静态电流，可延长始终开启系统的电池运行时间。低噪声电源转换技术最大限度地减少了对昂贵的EMI抑制以及设计和测试周期的需求，以满足严格的汽车EMI标准。对于许多必须经历冷启动事件的关键功能，LT8603 多通道低 IQ内置预稳压升压控制器的降压稳压器可提供具有至少三个稳压轨的紧凑型解决方案。LT8602 可提供许多高级驱动辅助系统 （ADAS） 应用所需的四个稳压电压轨，例如碰撞警告、缓解和盲点监控。

图2显示了发动机驱动交流发电机的传统汽车电气系统。交流发电机本质上是一个三相发电机，其交流输出由全二极管桥整流。该整流器的输出用于为铅酸电池充电并为 12 V 电路和设备供电。典型负载包括ECU、燃油泵、制动器、风扇、空调、音响系统和照明。越来越多的ADAS被添加到12 V总线中，包括外设、I/O、DDR、处理器及其电源。

图2.汽车中的典型电气系统。

电动汽车在一定程度上改变了现状。发动机被电动机取代，其中DC-DC转换器将400 V高压锂离子（Li-Ion）电池组转换为12 V，而不是交流发电机。然而，传统的12 V交流发电机设备及其瞬态脉冲（包括快速脉冲）将继续存在。

发动机在狭窄的转速范围内以峰值效率运行，因此交流发电机的稳态输出和电池电压在大多数情况下相对稳定，例如~13.8 V（更多内容见下文）。每个直接由汽车电池供电的电路都必须在9 V至16 V范围内可靠运行，但稳健的汽车电子设计也必须在异常条件下运行，这不可避免地会在最不方便的时间发生。

虽然交流发电机的输出名义上是稳定的，但它不够稳定，无法在为车辆的其他系统供电之前避免需要调节。不需要的电压尖峰或瞬变对下游电子系统有害，如果处理不当，可能会导致这些系统出现故障或造成永久性损坏。在过去的几十年中，已经制定了许多汽车标准，如ISO 7637-2，ISO 16750-2，LV 124，TL82066，以定义汽车电源将面临的尖峰和电压瞬变，并设定设计期望。

最关键和最具挑战性的高压瞬变之一是负载突降。在汽车电子中，抛负载是指在电池充电时车辆电池与交流发电机断开连接。在抛负载瞬态期间，交流发电机的励磁场保持高，因为其时间常数很大——即使没有负载，交流发电机仍然输出高功率。电池是一个大电容器，通常会吸收额外的能量，但是当由于端子松动或其他问题而断开连接时，它将无法再提供此服务。因此，所有其他电子设备都会看到电压浪涌，并且必须能够承受抛负载事件。未抑制的抛负载可能会产生高达100 V的电压。 值得庆幸的是，现代汽车交流发电机使用雪崩级整流二极管，将负载突降电压限制在35 V，这仍然是对标准的重大偏离。负载突降事件最多可以持续 400 毫秒。

另一个高压事件是跨接启动。一些拖车使用两个串联的电池来确保有效的跨接启动以恢复没电的汽车电池，因此汽车的电路必须在 28 V 的双倍标称电池电压下存活几分钟。许多线性™电源高压降压稳压器，如静音开关和静音开关2系列，包括LT8650S和LT8640S（表1）工作电压高达42 V ，超过了这一要求。相比之下，较低额定电压的选项需要箝位电路，从而增加成本并降低效率。某些线性电源稳压器（如LT8645S和LT8646S）的额定电压为65 V，以适应卡车和飞机应用，其中24 V系统是标准。®

 

装置	输出数量	V在范围 （V）	输出电流	峰值效率 f西 南部= 2 兆赫 V在= 12 V V 外= 5 V	我Q12 V 输入时 （典型值） （μA）	电磁干扰特性	包
LT8650S	2	3 到 42	两个通道上均为 4 A 任一通道 上为 6 A	94.60%	6.2	静音切换台 2	6 毫米 × 4 毫米 × 0.94 毫米 LQFN
LT8645S	1	3，4 到 65	8 安培	94%	2.5	静音切换台 2	6 毫米 × 4 毫米 × 0.94 毫米 LQFN
LT8643S	1	3，4 到 42	6 A 连续 7 A 峰值	95%	2.5	静音切换器 2 外部补偿	4 毫米× 4 毫米× 0.94 毫米长 LQFN
LT8640S	1	3，4 到 42	6 A 连续 7 A 峰值	95%	2.5	静音切换台 2	4 毫米× 4 毫米× 0.94 毫米长 LQFN
LT8609S	1	3 到 42	2 A 连续， 3 A 峰值	93%	2.5	静音切换台 2	3 毫米 × 3 毫米 × 0.94 毫米 LQFN
LT8641	1	3 到 65	3.5 A 连续， 5 A 峰值	94%	2.5	静音切换器	3 毫米× 4 毫米 18 引脚 QFN
LT8640 LT8640 –1	1	3，4 到 42	5 A 连续 7 A 峰值	95%	2.5	静音切换器 LT8640：脉冲跳跃 LT8640–1：强制连续	3 毫米× 4 毫米 18 引脚 QFN
LT8614	1	3，4 到 42	4 安培	94%	2.5	静音切换器低纹波突发模式操作	3 毫米× 4 毫米 18 引脚 QFN
LT8642S	1	2，8 到 18	10 安培	95%	240	静音切换台 2	4 毫米 × 4 毫米 × 0.94 毫米 LQFN
LT8646S	1	3，4 到 65	8 安培	94%	2.5	静音切换台 2	6 毫米 × 4 毫米 × 0.94 毫米 LQFN

 

当驾驶员启动汽车并且启动器从电池中吸收数百安培的电流时，会发生另一个电压瞬变。这会在短时间内降低电池电压。在传统汽车中，只有当汽车由驾驶员启动时，才会发生这种情况 - 例如，当一个人启动汽车开车去超市并再次启动它开车回家时。在具有启停功能以节省燃料的现代汽车中，启停事件可能会在超市行程中多次发生——在每个停车标志和每个红灯处。与传统汽车相比，额外的启停事件给电池和起动器带来了更大的压力。

图3.LT8672对电池反极性的响应。

此外，如果在寒冷的早晨发生启动事件，则启动器会比较高的环境温度消耗更多的电流，将电池拉低至 3.2 V 或更低电压约 20 毫秒，这称为冷启动。有些功能即使在冷启动条件下也必须保持活动状态。好消息是，根据设计，这些关键功能通常不需要很大的功率。集成解决方案，如LT8603多通道转换器，即使其输入降至3 V以下，也能保持稳压。

ISO 7637-2 和 TL82066 定义了许多其他脉冲。有些具有较高的正电压或负电压，但也有较高的源阻抗。与上述事件相比，这些脉冲的能量相对较低，可以通过正确选择输入TVS进行滤波或箝位。

满足汽车抗扰度规范的理想二极管

有源整流器控制器LT8672具有高输入电压额定值（+42 V，−40 V）、低静态电流、超快瞬态响应速度和超低外部FET压降控制，可为功耗极低的12 V汽车系统提供保护。

电池反极性

每当电池端子断开时，汽车电池极性都有可能被错误地反转，并且电子系统可能会因电池负电压而损坏。阻断二极管通常与电源输入串联，以防止电源反转，但阻断二极管具有压降，导致系统效率低下并降低输入电压，尤其是在冷启动期间。

LT8672 是无源二极管的理想二极管替代品，可保护下游系统免受负电压的影响，如图 3 所示。

在正常情况下，LT8672 控制一个外部 N 沟道 MOSFET 以形成一个理想的二极管。GATE放大器检测漏极和源极，并驱动MOSFET的栅极，将正向电压调节至20 mV。D1在负载阶跃和过压条件下以正方向保护源极。当输入侧出现负电压时，当源极变为负时，栅极被拉至源极，从而关闭MOSFET并将漏极与负输入隔离。凭借其快速下拉 （FPD） 功能，LT8672 能够快速关断外部 MOSFET。

图4.LT8672对反极性的响应波形。

叠加交流电压

电池轨上的常见干扰是叠加的交流电压。该交流分量可以是整流交流发电机输出的伪影，也可以是大电流负载（如电机、灯泡或PWM控制负载）频繁切换的结果。根据汽车规范ISO 16750和LV 124，ECU可能会受到叠加在其电源上的交流纹波的影响，频率高达30 kHz，幅度高达6 V p–p。在图5中，高频交流纹波叠加在电池线路电压上。典型的理想二极管控制器反应太慢，但LT8672可产生高达100 kHz的高频栅极脉冲，以根据需要控制外部FET，以抑制这些交流纹波。

图5.LT8672对叠加交流电压的响应波形。

LT8672 抑制电源轨上常见交流组件的独特能力得益于其快速上拉 （FPU） 和 FPD 控制策略及其强大的栅极驱动能力，其中栅极驱动器由一个集成的升压稳压器供电。与充电泵栅极电源解决方案相比，该升压稳压器使LT8672能够保持11 V稳压以保持外部FET导通，同时提供强大的栅极酸性电流以降低高频交流纹波整流的开关损耗。其 50 mA 源电流能力可实现 FET 的超快速导通，从而最大限度地降低功耗;其 300 mA 灌电流容量可实现快速关断，从而最大限度地减少反向电流传导。此外，这大大降低了输出电容器中的纹波电流。叠加交流电压的典型整流波形如图6所示。

图6.LT8672对叠加交流电压的响应波形。

此外，在相同负载条件下，与传统的肖特基二极管解决方案相比，LT8672 可有效降低传导损耗。如图7的热图像所示，使用LT8672的解决方案比传统的基于二极管的解决方案低近60°C。它不仅提高了效率，而且消除了对笨重散热器的需求。

汽车电子系统输入端出现的高峰值、窄脉冲通常来自两个来源：

当感性负载串联或并联时，输入电源的断开。

影响线束分布电容和电感的负载开关过程。

图7.热性能比较。

其中一些脉冲可能具有高电压峰值。例如，ISO 7632-2中定义的脉冲3a是峰值电压超过−220 V的负尖峰，而脉冲3b在电池初始电压之上定义了最大峰值电压为150 V的脉冲。尽管它们具有较大的内部阻抗和非常短的持续时间，但如果下游电子设备看到这些脉冲，它们很容易损坏。

前端安装了两个适当尺寸的TVS以抑制此类尖峰。事实上，一些低能量脉冲可以通过输入电容和寄生线电感的滤波效应直接吸收。

图8.LV 124 中定义的 12 V 系统的严重冷启动。

图9.冷启动事件。

多个轨道调节器通过冷启动事件

LT8602为多达四个稳压轨（例如，5 V、3.3 V、1.8 V、1.2 V）提供紧凑型解决方案，输入电压范围为5 V至42 V，适用于在冷启动期间不一定需要导通的功能。否则，对于即使在冷启动期间也必须运行的功能（例如火花塞控制器或报警器），LT8603等解决方案可在低至3 V（或更低）输入下工作。

LV 124定义了冷启动的最坏情况，如图8所示。它表明最低电池电压可以降至3.2 V，并在汽车启动时持续19 ms。该规范要求应用在传统（非理想二极管）解决方案中面临电池反向保护带来的额外二极管压降时保持低至2.5 V的电压。在无源二极管保护方案中，可能需要降压-升压稳压器，而不是不太复杂但效率更高的降压稳压器，以提供许多微控制器通常需要的稳定3 V电源。

LT8672控制器具有3 V V的最小输入工作电压巴特，使有源整流器能够通过冷启动脉冲工作，输入和输出之间的压降最小（20 mV）。冷启动事件期间的下游电源的输入电压不低于3 V。这允许使用具有3 V最小工作电压和低压差特性的降压稳压器（例如LT8650S）来产生3 V电源。

与LT8650S一样，许多ADI线性汽车电源IC的最小输入电压额定值为3 V。

图9显示了1.8 V电源与LT8672和传统二极管的比较。降压稳压器工作电压低至3 V。如图所示，对于传统二极管，V在当电池电压V时，降压稳压器降至接近2.7 V巴特由于二极管的高压降，降至3.2 V，触发下游开关稳压器的UVLO关断，其1.8 V输出崩溃。相比之下，在冷启动事件期间，LT8672输出端的电压几乎保持不变，下游降压稳压器能够保持1.8 V输出。

许多关键功能需要稳定的5 V和3.3 V电源轨，以及低于2 V的电源轨，为模拟和数字IC中的内容、处理器I/O和内核供电。如果 V巴特低于其输出或 V在（MIN），纯降压稳压器如果直接由V供电，将失去稳压巴特.但是，此类关键功能通常不需要太多功率，因此可以使用高度集成的紧凑型解决方案，例如6 mm×6 mm LT8603四路输出、三路单芯片降压转换器和升压控制器。

LT8603的集成升压控制器可在低至2 V以下工作，使其成为其三个降压稳压器的理想前置稳压器。图10显示了针对这些应用的最先进的线性功率解决方案，可以应对冷启动事件。两个高压降压稳压器由预升压转换器供电。当 V巴特降至8.5 V以下，升压控制器开始开关，输出（OUT4）调节至8 V。一旦启动，它可以在输入电压低至 3 V 的情况下保持输出调节。因此，两个高压降压稳压器可以穿越冷启动条件，同时提供恒定的5 V和3.3 V输出，如图11所示。一次 V巴特升压控制器从冷启动恢复到8.5 V以上，仅用作二极管直通。高压降压器可处理V巴特高达 42 V。低压降压转换器由OUT2供电，通过冷启动事件提供1.2 V电压。

图 10.LT8672 和 LT8603 解决方案可承受冷启动事件，这些事件可承受冷启动事件。

图 11.LT8672和LT8603组合产生5 V和3.3 V输出，可应对冷启动事件。

超低 IQ延长始终在线系统的电池运行时间

对于连接到 V 的始终在线系统巴特对于数周或数月没有电池充电的情况，在某些情况下，轻负载和空载效率比满载效率更重要。超低静态电流的线性功率系列（IQ） 器件可保持电池电量，同时承受具有挑战性的瞬态条件和 3 V 至 42 V 的宽输入电压范围和宽温度范围。为了优化效率并在轻负载和空载时保持稳压，该稳压器具有突发模式操作功能。在突发之间，与控制输出开关相关的所有电路都关断，从而将输入电源电流降低到几微安。相比之下，典型的降压稳压器可能会从V吸收数百微安的电流。®巴特空载调节时，耗尽电池的速度要快几个数量级。

给定轻负载下的突发模式效率主要受开关损耗的影响，开关损耗是开关频率和栅极电压的函数。由于打开和关闭 MOSFET 并保持内部逻辑正常工作需要固定的能量，因此较低的开关频率可降低栅极电荷损耗并提高效率。开关频率主要由突发模式电流限值、电感值和输出电容决定。对于给定的负载电流，增加突发电流限值允许在每个开关周期内传递更多能量，并且相应的开关频率更低。对于给定的突发电流限值，较大值电感比较小的电感存储更多能量，并且开关频率也较低。出于同样的原因，输出电容越大，存储的能量越多，放电时间越长。

图 12.低 IQLT8650S保持非常高的轻负载效率，以支持始终接通的应用，而不会显著耗尽电池电量。

图12显示了超低IQ同步降压稳压器 LT8650S 采用的解决方案，可在宽输入电压和负载电流范围内实现高效率。借助集成 MOSFET，该器件可在 3.3 V 或 5 V 固定输出电压下提供高达 8 A 的总输出电流。尽管整体设计和布局简单，但该转换器包括可用于优化电池供电系统中特定应用性能的选项。

表1列出了低IQ单芯片稳压器非常适合汽车市场，输入电压高达42 V或65 V。 这些器件的典型静态电流仅为2.5 μA，这要归功于低IQADI公司开发的技术。这些稳压器的最小导通时间为35 ns，在2 MHz开关频率下从输入42 V提供3.3 V输出电压，这在汽车行业中很常见。

静音开关电源产品组合消除了 EMI 设计的复杂性

汽车应用要求系统不会产生可能干扰其他汽车系统正常运行的电磁噪声。例如，开关电源是高效的电源转换器，但本质上会产生可能影响其他系统的不受欢迎的高频信号。开关稳压器噪声发生在开关频率及其谐波处。

纹波是出现在输出电容和输入电容上的噪声分量。使用低 ESR 和 ESL 电容器以及低通 LC 滤波器可以降低纹波。更高频率的噪声成分更难解决，这是由于功率MOSFET的快速开关造成的。由于设计侧重于紧凑的解决方案尺寸和高效率，工作开关频率现在被推至2 MHz，以减小无源元件尺寸并避免使用可听频段。此外，开关转换时间已缩短到纳秒级，通过降低开关损耗和占空比损耗来提高效率。

封装和PCB布局产生的寄生电容和电感在噪声分布中起着重要作用，因此如果存在噪声，则很难消除。由于开关噪声覆盖从数十MHz到GHz以上的域，EMI预防变得复杂。 受到此类噪声影响的传感器和其他仪器可能会发生故障，从而导致可闻噪声或严重的系统故障。因此，已经制定了严格的标准来调节EMI。最常用的是CISPR 25 Class 5，它详细说明了150 kHz至1 GHz频率下的可接受限制。

在高电流下通过汽车EMI调节通常意味着复杂的设计和测试程序，包括在解决方案尺寸、总效率、可靠性和复杂性方面的许多权衡。通过减慢开关边沿或降低开关频率来控制EMI的传统方法需要权衡取舍，例如效率降低、最小导通和关断时间增加以及解决方案尺寸更大。替代缓解措施，包括复杂的笨重EMI滤波器、缓冲器或金属屏蔽，大大增加了电路板空间、元件和组装成本，同时使热管理和测试复杂化。

我们的静音开关技术以创新的方式解决了EMI问题，在高频、高功率电源中实现了令人印象深刻的EMI性能。第二代静音开关 2 器件通过将热回路电容器集成到封装中，简化了电路板设计和制造。对于42 V/4 A LT8650S等降压稳压器，热回路由输入电容以及顶部和底部开关组成。其他噪声环路包括栅极驱动电路和升压电容充电电路。在静音开关2器件中，热回路和暖回路电容器集成在封装中，并进行了布局，以最大限度地降低EMI。这降低了最终电路板布局对EMI方程的影响，简化了设计和制造。通过使用这些器件中集成的可选扩频频率调制功能，可以进一步降低峰值EMI，从而更容易通过严格的EMI标准。

图 13.LT8672 和 LT8650S 配置可实现高输出电流。

图13显示低IQ，适用于汽车I/O和外设大电流应用的低噪声解决方案。前端的 LT8672 可保护电路免受电池反向故障和高频交流纹波的影响，正向压降仅为数十 mV。LT8650S的开关频率为400 kHz，输入范围为3 V至40 V，通过并联操作两个通道，输出能力为8 A。两个去耦电容器放置在靠近LT8650S的输入引脚的位置。采用静音开关2技术，即使未安装EMI滤波器，高频EMI性能也非常出色。该系统以显著的裕量通过了CISPR 25 5类峰值和平均限制。图14显示了垂直极化在30 MHz至1 GHz范围内的辐射EMI平均测试结果。完整的解决方案具有原理图简单、总元件数量最少、尺寸紧凑和 EMI 性能，不受电路板布局变化的影响（图 15）。

图 14.LT8672 和 LT8650S EMI 性能：30 MHz 至 1 GHz。

图 15.用于汽车电池 3.3 V 和 5 V 输出的完整电源解决方案。

结论

汽车应用需要低成本、高性能、可靠的电源解决方案。严酷的引擎盖下环境要求电源设计人员在考虑各种潜在破坏性电气和热事件的情况下，制定稳健的解决方案。连接到 12 V 电池的电子板必须经过精心设计，以实现高可靠性、紧凑的解决方案尺寸和高性能。线性电源器件目录包括专门满足汽车要求的创新解决方案：超低静态电流、超低噪声、低 EMI、高效率、紧凑尺寸的宽工作范围和宽温度范围。通过消除复杂性，同时提高性能，线性电源解决方案缩短了电源设计时间，降低了解决方案成本，并缩短了上市时间。

审核编辑：郭婷