基于LTC3789的多功能车载电源模块设计

1、车载电源模块的应用要求和技术指标

1.1、电源模块的技术指标

根据《GB/T28046道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验》标准和IS07637浪涌标准，车载电源模块要具备如下功能：抵御87V和174V4欧姆350ms浪涌，具备防反接功能。同时为了兼容12V和24V车载电源、应付电瓶馈电情况、并保护负载，该电源模块增加了输出过流保护功能，输入电压范围6.0V-38.0V，输出可调电压范围5V-24V，负载50W，几乎满足所有直流供电的车载电子设备的需求。

2、车载电源模块的电路原理

2.1、防浪涌

图1为典型的汽车启动时的电压变化瞬态图，它反映出车载电源在车辆启动时非常不稳定，会出现6.0V低压、浪涌、馈电反向尖峰等情况。具体的量化指标图下图所示。

图1   典型的车载电源瞬态变化图

图2 车载电源浪涌波形

表1   12V与24V车载浪涌指标表

为了抵御浪涌对电源模块的损害，常采用TVS管消除浪涌尖峰的做法。合适的TVS管可以达到消除有害尖峰的目的。

图3  浪涌抑制示意图

2.2、防反接

汽车电源电路，必须做防反接保护，预防输入端接错正负极导致电池短路，甚至会烧毁电源、起火。最简单的防反接方法是串联一个二极管，但是二极管先天的压降0.3V-0.7V，会造成过多的不必要损耗，当负载为2A时，二极管自身损耗就会达到1W左右。

既要满足IS07637一标准对车载电源的防反接要求，又要降低能量的损耗，使用MOS管成为一种很好的选择。

图4  防反接典型电路示意图

2.3、升降压和限流保护

直流电源电压变换，主要分为DC-DC变换即开关电源变换、充电泵式电源变换和LDO直流稳压变换。LDO完全以后稳压芯片的自身消耗来降低输出电压，无法做升压变换，而且因为自身损耗较大，不合适输入和输出压差较大的情况;充电泵式电源变换是依靠电容的充放电来实现电压变换，但是输入电压范围较小，输出电流也非常有限;DC-DC变换是比较适合的选择。

DC-DC的三种拓扑结构：

（1）Buck电路一一降压斩波器，其输出平均电压UO小于输入电压Ui，极性相同。

（2）Boost电路一一升压斩波器，其输出平均电压UO大于输入电压Ui，极性相同。

（3）Buck-Boost电路一一降压或升压斩波器，其输出平均电压UO大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。

Buck变换：降压式变换，输出电压低于输入电压。

Boost变换：升压式变换，输出电压高于输入电压。

图7   Buck-Boost电路示意图

Buck-Boost变换：升一降压式变换

任何一种电源都有可能出现故障，导致负载短路，电源因为过大的负载电流而损坏。为了防止这种毁灭性的故障，常采用负载输出端串联保险管的方法。不过这种方案需要将保险管烧坏，重新更换新的保险管才能修复，比较麻烦，尤其是使用过程中不方便打开电路的外壳。

3、模块的硬件设计

该多功能车载电源模块的硬件组成分为防反接模块、防浪涌模块、电源变换模块、限流保护模块，如框图所示。

3.1、防反接功能

该模块选择P-MOS管和齐纳二极管搭建的防反接电路。P-MOS管选用SI7461DP，工作温度满足一550C}1500C的P-Channel60-V（D-S）MOSFET，其性能参数如下表所示。

表2  SI7461DP基本参数表

齐纳二极管采用仙童公司的工N5259是Vz=39V，Tc=0.094%/0C，工作温度满足一650C“2000C。

当输入电压为正时，Vgs《0，P-MOS打开，而且IN5929起到保护SI7461DP的作用。

3.2、升降压功能和限流功能

该模块的升降压电源转换功能采用凌特电子的LTC3789芯片，是新研发出的高效率高性能升降压式开关稳压控制器，其输入电压可以从4V}38V，输出电压可以高于输入电压，可以低于输入电压为0.8V}38V，工作频率恒定，最高可达600KHz（200}600KHz）。为电流模式工作。输出电流反馈环提供对电池充电的支持，满足输入输出4V}38V的宽范围，而且输出电流可以达到5A。在工作区域有很低的噪声，LTC3789系目前最理想的可升降压的电池供电系统应用IC。

该电路通过调节VFB所连接的电阻，即可改变Vout的值。

图12  LTC3789电源转换电路

vout=0.8V.（1+R2/R1）（1）

LTC3789具备输入电流和输出电流限流保护功能，以保护输入电源和芯片自身，电路如下图所示。

Rsense=90mV/Iout（max）（2）

因此，如果要限制输出电流为4.5A，则Rsense=20m欧

4、输出效率和纹波

该电源模块宽输入电压范围6V}38V，宽输出电压范围5V}24V，作为使用Buck-Boost拓扑效率非常高的LTC3789芯片搭建的电源转换电路，其输出效率和纹波指数都是核心技术指标，输出电压为12.0V，负载为50W的10欧姆功率电阻时，实测结果如下表。

从表5中的实验数据可以看出，该模块效率在Boost模式最低为89.72%，而Buck模式最低也达到了95.14%，综合来看转换效率非常高。而纹波始终控制在250mV以内，足以满足车载电源的需求。

5、总结

综上所述，本文所设计的车载电源模块具有防浪涌、防反接、输出过流保护、宽输入电压范围（6.0V-38.0V）、输出电压可调（5V-24V）、高输出功率50W、兼容12V和24V车载电源系统等功能，满足GB/T2804和IS07363的基本要求，在车载电源领域具有广阔的应用前景。