前端“预升压” 美信车载电源系统供电设计

　　简介

　　随着汽车启停技术（空闲状态自动关闭引擎）应用的普及，越来越多的车载系统要求能够工作在较低的输入电压，低压输入往往发生在热启动（电池电压低于6V）或冷启动（电池电压低于3V）条件下。图1介绍了常见的汽车系统供电架构方案。

　　在一些主电源为3.3V的供电系统中，前端采用低压差的buck转换器即可满足要求（CASE 1）。需要时，可以选择一路boost转换器将3.3V升压到5V （例如为CAN总线收发器供电）或更高电压（CASE2）。有些系统采用5V或更高电压供电，此时需要在前端进行“预升压”，保证buck的输入电压不会低于指定电压（CASE 3），本设计适用于后者。

　　图1. 汽车电源方案。

　　汽车设计中，低电磁辐射也是一项重要的考核指标，特别是在敏感的AM频段。本设计中，电源的开关工作频率远高于AM频段（例如：开关频率在1.71MHz以上，位于MW频段的高端），进而解决了干扰问题。较高的开关频率也有助于减少系统尺寸，降低外围元件的成本。

　　图2是开关电源的原理图，MAX15005升压控制器与MAX16952降压控制器相组合，配合外围电路提供合理的车载系统供电方案。两款IC均同步到控处理器或专用IC提供的外部2MHz时钟，便于优化电源的开关频率。电池正常供电的条件下，MAX15005不工作，通过MAX16952提供稳定的8V OUTB电压。冷启动时，由于电池电压降低，则通过MAX15005提升节点OUTA的电压，确保MAX16952提供稳定的8V OUTB电压。两款IC的高可靠性，可以满足汽车环境中高达40V的抛负载。该方案已经通过测试，在OUTB节点提供高达20W的输出功率 （8V@2.5A）。更换外围电路，可以获得更高的输出功率。

　　图2. 开关电源原理图。

　　MAX16952的外围元件

　　1、输出电压和开关频率

　　为了在OUTB端获得稳定的8V输出，需要合理选择反馈分压电阻（R22和R21）。选择R22 = 51KΩ （MAX16952数据资料推荐低边电阻R22 < 100kΩ），R21根据下式计算：

　　（式1）

　　式中，VFB = 1V （典型值）。

　　选择标准阻值R22 = 360kΩ ，典型输出电压为：

　　（式2）

　　假设阻值误差为1%，最小和最大OUTB输出电压为：

　　（式3）

　　（式4）

　　其中，VFB（MIN） = 0.985V，VFB（MAX） = 1.015V。

　　按照规格书推荐，外部时钟频率必须高于MAX16952内部时钟频率的1.1倍。由于我们采用2MHz外部时钟同步MAX16952的开关频率，须合理选择内部振荡器阻抗R16，控制内部开关频率《1.8MHz。本设计中，R16选择为30kΩ。为确保MAX16952开关频率固定在2MHz，必须避免发生电压跌落。MAX16952只有在关断时间（tOFF）》100ns （典型值）时，才可避免电压跌落的情况，这意味着系统不能超出最大占空比：

　　（式5）

　　考虑到降压转换器的效率为90%，保证工作在2MHz固定开关频率的最小输入电压（OUTA）是：

　　（式6）

　　这意味着OUTA电压不能低于11.11V阈值。为保证OUTA电压始终高于11.11V，当电池电压（IN节点）低于11.5V时，需要开启MAX15005工作（考虑到L1、D2肖特基二极管的压降，留出大约390mV的裕量）。

　　达到40V抛负载峰值电压时，OUTA达到其高压点，MAX16952必须将输出电压稳定在8V。因此，发生抛负载期间，MAX16952占空比为：

　　（式7）

　　MAX16952的最小开启时间（tON）为80ns，因此最小占空比（2MHz开关频率下）为：

　　（式8）

　　0.16最小占空比可确保抛负载条件下（输入电压高达40V时）提供稳定的8V输出。

　　2、电感和电流检测

　　图3. MAX16952电感电流。

　　使用大电感可以降低电感电流峰值，提高降压转换器的效率；但也占用更大的电路板（PCB）面积，降低负载调整率。一种可以接受的折中方法是选择适当的电感值，使LIR （电感AC电流峰-峰值与DC平均电流的比值） ≤ 0.3。基于图3，利用下式计算：

　　（式9）

　　（式10）

　　（式11）

　　根据以上方程组，可以得到电感计算公式：

　　（式12）

　　由此，常规条件下（OUTA = 12V）满足LIR ≤ 0.3的最小电感值为：

　　（式13）

　　选择标准电感L2 = 2.2µH，LIR = 0.24，电感峰值电流为：

　　（式14）

　　当测流电阻R20的电压达到68mV （最小值）时，达到电流上限。为了留出一定裕量，选择检流电阻时，应使电感电流达到峰值（IPEAK）时，检流电阻的压降是电流门限的60%：

　　（式15）

　　R20选择为15mΩ标准电阻。