AN-2083：车辆跟踪系统集成电源解决方案

星星科技指导员 2023-02-22 809

描述

Celso Aron, Dominic Clavillas, and Jardine Penaflor

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

为了使VTS可靠工作，它需要具有强大的DC-DC电源。电源的设计必须能够保护系统免受常见的汽车故障条件的影响，如负载突降、冷启动、反极性以及 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 标准中描述的其他潜在破坏性瞬变。

此外，在没有来自车辆的电源的情况下，系统必须能够切换到备用电池以确保连续运行。最终，汽车电源必须符合汽车电磁干扰（EMI）标准，特别是CISPR 25。

为了应对这些挑战，ADI公司开发了EVAL-ADVTS4152-EBZ电源解决方案，这是一种用于车辆跟踪系统的高性能、简化电源解决方案。

集成解决方案

EVAL-ADVTS4152-EBZ 电源解决方案集成了三个主要模块：LT4356-1 浪涌抑制器、高效 LT8609A 降压型稳压器和 LTC4040 电池后备电源管理器。这三个模块协同工作，为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，设计输出 5 V 并提供 3 A 连续电流。当汽车电池的电源不可用时，系统会自动切换到单节锂离子（Li-Ion）或磷酸铁锂（LiFePO4）电池。

图2.EVAL-ADVTS4152-EBZ 功能框图

参数	测试条件/注释	最小值	典型值	麦克斯	单位
输入工作范围正浪涌保护反向保护	适用于 12 V 和 24 V 电源系统主电池	6.5 2.7 -40	12 或 24	38 5 200	V V V V
输出电压纹波电流	输出 = 5 V，2 A 主 12 V（降压模式）电池 3.6 V（升压模式）	4.5	3.842 9.522	5，5 3	V mV mV A
备用电池工作范围可选充电电压	锂离子铁锂聚合物4	2.7	3.95、4.0、4.05 或 4.1 3.45、3.5、3.55 或 3.6	5	V V V

浪涌止动器

设计汽车电源来处理高压瞬变可能具有挑战性，因为这需要器件在保持敏感电子设备完好无损的同时耗散多余的功率。EVAL-ADVTS4152-EBZ 电源解决方案具有 LT4356-1 浪涌抑制器，可保护系统免受高压瞬变的影响，并在此类事件期间继续工作。

LT4356-1 驱动一个外部 N 沟道、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）作为调整管（参见图 3）。在正常工作中，LT4356-1 完全接通 MOSFET，并提供一条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 将控制 MOSFET 的栅极，并将输出调节至由 R33 和 R34 电阻分压器从 OUT 引脚到地设定的一个安全电压电平。MOSFET 保持导通状态，直到电容器充电（CTMR）连接到 TMR 引脚接地达到 1.35 V。此时，栅极引脚拉低电平，关闭 MOSFET。

图3.LT4356-1 浪涌抑制器

负载突降

抛负载是高压瞬变的一个例子。当交流发电机在充电时与汽车电池断开连接时，就会发生负载突降，从而导致电压浪涌。EVAL-ADVTS4152-EBZ 采用 LT4356-1 浪涌抑制器来保护敏感的汽车电子设备免受此类瞬态条件的影响。

测试设置

使用 DC1950A 抛负载发生器生成抛负载测试脉冲，并通过 EVAL-ADVTS4152-EBZ 的输入发送。然后在EVAL-ADVTS1-EBZ的输出端施加4152 A恒流负载。图 4 显示了负载突降条件的测试设置。

图4.负载突降条件的测试设置

实际浪涌波形如图5所示，显示在通道2（C2）中，读数为105.6 V浪涌，衰减约400 ms。输出端的电压读数保持在5 V，显示在通道3（C3）中，表明电源没有中断。在图 5 中，LT4356-1 响应也显示在通道 1 （C1）中。波形中的平坦区域显示芯片正在将电压调节在所需的38 V钳位电压下（见图5）。

图5.高瞬态电压下的EVAL-ADVTS4152-EBZ响应

降压稳压器

然后，LT4356-1 的输出连接到 LT8609A 高效率降压型稳压器的输入（参见图 6）。LT8609A具有3.0 V至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。一个 SYNC 引脚允许用户启用扩频调制以实现低 EMI 操作。

图6.LT8609A 降压型稳压器

电池备用电源管理器

为了使VTS连续运行，在没有汽车电池供电的情况下，它必须有一个备用电源。EVAL-ADVTS4152-EBZ 具有一个 LTC4040 高电流、升压型 DC-DC 稳压器，用于支持单节锂离子电池或 LiFePO4 电池的电源（参见图 7）。

当LT4356-1的输出降至1.2 V电源故障输入（PFI）阈值以下时，2.5 A升压稳压器从备用电池向下游负载供电。

图7.LTC4040 电池备用电源管理器

正常到备用电池模式

为了模拟掉电条件，断开了EVAL-ADVTS4152-EBZ输入端的电源，以查看从正常工作模式到备用电池模式的转换波形。图 9 显示了测试设置。该仿真还显示了EVAL-ADVTS4152-EBZ在冷启动等欠压瞬变期间如何继续工作。

在图8中，标称12 V输入显示在通道1（C1）中。通道3（C3）中显示的系统输出显示，当5 V输入下降时，12 V输出不会中断。该结果还表明，EVAL-ADVTS4152-EBZ即使在冷启动瞬变期间也能连续工作。

图8.掉电条件下的 EVAL-ADVTS4152-EBZ 响应（VIN = 12 V 和 VOUT = 5 V）

图9.掉电条件模拟测试设置

为电池选择充电电压

当汽车电池电源可用时，升压稳压器作为降压电池充电器反向工作。充电电压可通过用户可选的引脚根据电池类型进行配置。LTC4040 为两种电池化学成分（锂离子和 LiFePO4），这些选项通过 S1、S2 和 S3 滑动开关输入进行选择。表 2 显示了为两种类型的电池选择充电电压的开关配置。

电池类型	开关设置	最小值	典型值	麦克斯	单位
电池调节输出电压对于LiFePO4选择用于锂离子电池选项	S1 = 0， S2 = 0， S3 = 0 S1 = 0， S2 = 1， S3 = 0 S1 = 0， S2 = 0， S3 = 1 S1 = 0， S2 = 1， S3 = 1 S1 = 1， S2 = 0， S3 = 0 S1 = 1， S2 = 1， S3 = 0 S1 = 1， S2 = 0， S3 = 1 S1 = 1， S2 = 1， S3 = 1	3.42 3.47 3.52 3.57 3.92 3.97 4.02 4.07	3.45 3.50 3.55 3.60 3.95 4.00 4.05 4.10	3.48 3.53 3.58 3.63 3.98 4.03 4.08 4.13	V V V V V V V V