适用于交通运输系统的创新性电源解决方案

适用于交通运输系统的创新性电源解决方案

（2024年10月2日更新）

交通系统需求

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运输系统的输入电压可能高达14V(单电池供电车)28V(双电池卡车、公共汽车和飞机)或更高的电压，其数字系统需要一个或多个低压轨道。因此，在设计此类系统时，需要知道如何从高输入电压中简单、高效、可靠地降压。下图1显示，汽车环境中的输入电压可能会根据其运行状态的变化而变化，其运行状态可能包括从负载突降到冷车启动的各种情况，甚至电池反向连接。

图1:典型汽车瞬态情况

NOMINAL14V：标称14V

120VLOADDUMP：120V负载突降

6VCRANK：6V冷车发动

85VNOISE：85V噪声

24VJUMPSTART：24V猛然起动

REVERSEBATTERY：电池反向连接

当应用程序要求以非常高的效率进行电源转换，以最大限度地减少转换过程中功率损起的热量时，使用开关稳压器解决方案是有帮助的。开关稳压器本质上是单片器件，集成在片内MOSFET，采用同步或非同步配置。或者，开关稳压器也可以由单级或多级拓扑(多相)驱动的开关控制器组成MOSFET，从数十安培到数百安培级提供功率。为了满足如此大的功率范围要求，AD公司提供广泛的开关稳压器解决方案，使用户能够根据最终系统所需的具体设计标准选择最合适的设备。因此，我们的开关稳压器具有非常宽的输入电压范围（从5开始V直至150V)，输出功率级从数百毫安到1000A。

这种开关稳压器的一个例子是LTC3895，该装置为150V输入同步降压转换器可配置为多相运行。

图2：LTC3895原理图和效率随功率损耗而变化的曲线

VOUTFOLLOWSVINWHENVIN<12V：VIN<12V时，VOUT跟随VIN

EFFICIENCY：效率

POWERLOSS：功率损耗

LOADCURRENT：负载电流

在任何交通系统中都有一个常见的问题：如何在不影响性能和转换效率的前提下获得高降压比和紧凑的板面积？直到不久前，在不牺牲其他性能的情况下，仍然没有能的情况下达到所有关键性能标准。不过，随着AD公司单片、2MHz上述同步降压转换器LT86xx所有必要的性能标准都可以立即得到满足。

一个很好的例子是LT8609，这是一款2A、42V输入同步降压开关稳压器。独特的同步整流拓扑提供93%的效率MHz频率切换使设计师能够避免关键噪声敏感频段，例如AM无线电，同时可以提供非常紧凑的解决方案。突发模式(BurstMode)无负载备用运行时，静态电流低于2.5μA，因此，该设备非常适合始终连接的系统。LT8609的3.0V至42V输入电压范围使其非常适合汽车应用，必须低至3.0V最低输入电压通过冷车稳定启动AD官方代理停-启，稳定通过40多V负载瞬态。.5A峰值负载电流为3A提供高达2A连续输出电流MHz切换频率的效率曲线。

图3：LT8609原理图和效率曲线

由于冷车启动和负载突然下降在单电池或双电池供电车辆中非常常见，许多运输系统提供了广泛的输入电压范围。更复杂的是，所需的输出电压可能超过这个已经很宽的输入电压范围。因此，系统设计师面临的复杂问题是，设计的解决方案必须允许固定输出，无论输入电压是高于、低于或等于输出电压。

解决这个问题的常用方法是SEPIC拓扑转换器。然而，这种转换器的设计非常复杂，需要两个电感器，通常空间利用率和转换效率都不高。因此，AD公司设计了广泛的4开关降压升压控制器，不仅简化了设计，而且提供了高空间利用率和转换效率，功率损耗在5%到7%之间(取决于输入到输出电压)。图4所示LT8705是一个4V至80V输入降压升压控制器的例子为车辆环境中常见的固定12V输出。

图4：详细的LT8705原理图，从4V至80V输入提供固定12V输出

INCREASEDVOUTRIPPLEFORVIN>60V：VIN>60V时，VOUT纹波增大

另一种解决汽车冷车启动问题的方法是使用升压转换器，然后使用降压转换器。在这种拓扑中，单电池提供的升压转换器的输出设置为比电池标称电压高几伏，然后用降压转换器降压，以达到下游电子元件所需的工作电压。虽然这种方法需要两个转换器，但是AD公司开发了一种集成了升压控制器和降压控制器的设备，可以独立使用，也可以作为升压降压跟踪器。图5中用LTC7813说明了该设备的工作原理。

图5：LTC7813原理图~~一级升压降压单输出控制器IC

8VTO60VDOWNTO2.2VAFTERSTART-UP：8V至60V，启动后降至2.2V

低噪声电源管理

电磁辐射(EMR)、电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)这些术语与带电粒子和磁场的能量有关，可能会影响电路性能和干扰信号传输。随着无线通信的普及，大量通信设备的出现，通信方法的增加，频谱的占用越来越多（有些频段相互重叠），电磁干扰已成为挥之不去的事实。为了减少电磁干扰的影响，许多政府机构和监管机构都设置了通信设备和仪器的电磁辐射限制。

因此，很明显，低辐射是许多汽车和运输设备制造商的关键要求。系统设计师如何满足汽车需求？CISPR25、Class5(图6所示)严格要求，同时保持高效小的解决方案尺寸？

图6a：LT8614的辐射值远低于CISPR25、Class5限制

AMPLITUDE：幅度

VERTICALPOLARIZATION：垂直极化

PEAKDETECTOR：峰值检测器

CLASS5PEAKLIMIT：Class5峰值限制

FIXEDFREQUENCYMODE：固定频率模式

SPREADSPECTRUMMODE：扩展频谱模式

FREQUENCY：频率

图6b：采用SilentSwitcher拓扑的LT8614

答案可以使用AD的SilentSwitcher系列器件。以LT以8614为例，这是42V输入、4A输出、单片降压转换器高于2MHz由于开关频率4%的转换效率之间的切换很短ns最短接通时间可满足16V输入至1.8V输出降压比。此外，由于采用了已获专利的SilentSwitcher因此，该设备可以超越技术CISPR25和CISPR22ClassB辐射要求，。