Наши партнеры ArtmMisto
Зростаючі вимоги до потужності харчування при використанні в автоелектроніці нових швидких процесорів ведуть до поступової зміни методу перетворення: з простого, недорогого, але неефективного лінійного регулятора на більш складний, але ефективний імпульсний перетворювач.
Переваги імпульсного перетворювача
З ростом частоти перетворення фізичні розміри пасивних компонентів, таких як силова котушка індуктивності або накопичувальний конденсатор, можуть бути зменшені. Зменшуючи розсіювання потужності, високоефективні перетворювачі усувають необхідність громіздких і дорогих радіаторів. Таким чином, використання імпульсних перетворювачів зменшує загальний розмір джерела живлення. Ці переваги роблять імпульсний перетворювач вельми привабливим вибором для управління живленням в таких автомобільних пристроях, як системи самодіагностики, інформаційно-розважальні системи, модулі керування двигуном.
Вибір імпульсного перетворювача
Вибір частоти перемикання дуже важливий, оскільки використання імпульсного перетворювача тягне за собою ряд проблем. Електромагнітні перешкоди, породжувані основною частотою перетворення і її гармоніками, можуть впливати на роботу інших пристроїв. Наприклад, AM-радіоприймачі чутливі до частот в області від 530 кГц до 1710 кГц. Отже, частота перемикання понад 1710 кГц усуває вплив основної частоти і її гармонік в AM-діапазоні. Лабораторні тести показують, що прості пристрої захисту разом з високочастотними перетворювачами невисокої напруги, вироблені фірмою Maxim, є відмінним рішенням для електроживлення в автомобілі. У зв'язку з цим, розробники більше не мають потреби в високовольтних перетворювачах при розробці автомобільних джерел живлення.
Підвищення частоти перетворення також збільшує втрати, що трохи знижує переваги використання імпульсних перетворювачів. Оскільки втрати пропорційні квадрату робочої напруги, то з підвищенням вхідної напруги ситуація сильно погіршується. На жаль, типовий автомобільний перетворювач повинен розраховуватися на високу напругу (40 В і вище), щоб протистояти різним перенапряжениям, наприклад, при скиданні завантаження. Висока напруга тягне за собою збільшення геометричних розмірів силового транзистора, потовщення переходів і подовження каналів управління, зростання затримки поширення сигналу. Таким чином, через уповільнення процесів перемикання ростуть втрати і знижується ефективність. Технологія компанії Maxim дозволяє розробляти надзвичайно швидкодіючі перетворювачі, що працюють при середніх напругах. Наприклад, здвоєний buck-boost перетворювач MAX5073 працює на частоті 2,2 МГц і може витримувати вхідну напругу до 23 В. Робота каналів в протифазі дозволяє досягти ефективної частоти перетворення 4,4 МГц.
Так як імпульсні перетворювачі повинні бути стійкі до перешкод джерела живлення, виникає питання - чи дійсно в автомобільних додатках потрібні високовольтні ІС? Відповідь на це питання розкривається далі, з розглядом типових перешкод в автомобільних системах харчування і методів захисту від них низьковольтних електронних пристроїв.
Перенапруження в ланцюзі харчування
Пристрої захисту від перенапруги ізолюють і захищають електронну схему від надмірних напруг, що виникають при підключенні до автомобільної електромережі, особливо - до основного джерела живлення. Здатність протистояти таким збурень відома як кондуктивна перешкодозахищеність. Хоча оригінальні виробники автомобілів часто висувають свої вимоги, основа специфікацій з випробувань цього параметра взята зі стандарту ISO-7637. Далі наводиться короткий опис типових перенапруг, що відносяться саме до автомобільних систем.
статичні перенапруги
У деяких випадках перенапруження має досить велику тривалість, щоб його можна було розглядати як постійне. Прикладом може бути будь-який перенапруження, що зберігається довше, ніж теплова стала часу в пов'язаному електронному пристрої. У таких ситуаціях основною проблемою є тривалий розсіювання потужності і випливає з нього зростання температури. Статичні перенапруги трапляються при відмові регулятора напруги генератора, подвоєнні напруги на батареї при запуску і зворотному підключенні батареї. Коротко розглянемо особливості цих станів.
Регулятор прагне вирівняти вихідна напруга генератора, яке залежить від швидкості, завантаження автомобіля і температури навколишнього середовища, шляхом зміни амплітуди струму обмотки збудження. Для цього зазвичай використовується електронна схема, яка забезпечує зміну напруги на обмотці шляхом широтно-імпульсної модуляції. Типовий рівень вихідної напруги регулятора дорівнює 13,5 В. Однак регулятор напруги може відмовити і подати максимальний струм збудження, незалежно від навантаження або вихідної напруги. Коли це трапляється, вся система може виявитися під напругою, що перевищує типові 13,5 В. Фактичний рівень напруги залежить від швидкості руху, навантаження та інших умов. Типовим тестовим вимогою OEM при збої регулятора є перенапруження 18 В протягом однієї години. Більшість систем зобов'язана витримувати такий тест, хоча для деяких їх функцій допустимо невелике відхилення від норми.
Іншим статичним перенапруженням є подвоєння напруги на батареї, коли буксирує вантажний автомобіль або персонал сервісу використовує напругу 24 В для запуску відмовив автомобіля або зарядки «на смерть» розрядженою батареї. Типове тестове OEM-вимога в цьому випадку - 24 В протягом двох хвилин. В таких умовах зобов'язані працювати деякі системи автомобіля, пов'язані з безпекою або управлінням двигуном.
Перенапруження в енергосистемі автомобіля може виникнути при зворотному включенні батареї (переполюсовка) в разі помилок у виробництві або техобслуговуванні. В такому випадку більшість систем повинні вціліти, не працюючи при цьому. Типовим тестом є подача напруги -14 В протягом однієї хвилини. Це випробування може бути проблемою для високоточних приладів і пристроїв з низьким падінням напруги.
короткочасні перенапруги
Більшість короткочасних перенапруг в автомобілі відбувається при комутації індуктивного навантаження. До таких навантажень відносяться електродвигун стартера, паливний насос, електродвигуни склопідйомники, котушки реле, соленоїди, компоненти системи запалювання і різні розподілені по схемі індуктивності. Відключення будь-який з цих індуктивних навантажень веде до імпульсу перенапруги. Для придушення таких перенапруг в залежності від їх амплітуди і тривалості використовуються фільтри харчування, металоксідние варистори (MOV) або подавители перехідних напруг. Відповідні вимоги описані в стандарті ISO7637. На малюнках з 1 по 4 показані вимоги до придушення перенапруг, засновані на ISO7637. На рис. 1 під час перемикань схема генерує повторювані негативні імпульси амплітудою від -80 В до -150 В тривалістю від 1 мс до 140 мс при типовому імпедансі джерела 5 ... 25 Ом. На рис. 2 під час перемикань схема генерує повторювані позитивні імпульси амплітудою від +75 до +150 В тривалістю 50 мкс. при типовому імпедансі джерела 2 ... 10 Ом. На рис. 3 під час перемикань схема генерує пачки негативних імпульсів амплітудою -150 В і тривалістю 100 нс (сигнал 3a) і позитивних амплітудою 100 В, тривалістю 100 нс (3b). при імпедансі джерела 50 Ом. А на рис. 4 показаний імпульс при падінні навантаження, що виникає при раптовому відключенні регулятора, яке живить виряджену батарею. Тут різке падіння струму індукує імпульс високої напруги, тривалість якого залежить від електричної постійної часу схеми регулятора і його часу відгуку.
Мал. 1. Схема генерує повторювані негативні імпульси
Мал. 2. Схема генерує повторювані позитивні імпульси
Мал. 3. Схема генерує пачки негативних і позитивних імпульсів
Мал. 4. Імпульс при падінні навантаження
Таблиця 1 містить узагальнення сучасних OEM-вимог, в більшості своїй взятих з того ж стандарту ISO7637.
Таблиця 1. Тести кондуктивной помехозащищенности у різних виробників (OEM)
Тип
імпульсу Параметр OEM 1 OEM 2 OEM 3 OEM 4 OEM 5 OEM 6 OEM 7 OEM 8 Імпульс 1 Td мс 2 2 2 2 5 50 нс 140 з 46 Vp В -100 -100 -100 -150 -100 -100 -80 -80 Rs, Ом 10 10 10 10 25 10 5 20 Імпульс 2 Td, нс 50 50 50 50 2 мс 5,7 Vp, В 150 50 100 Всі 75 200 110 Rs, Ом 4 2 10 2 10 0,24 Імпульс 3a Td, нс 100 100 100 100 100 4,6 мс Vp, В -150 -150 -150 -112 -150 -260 Rs, Ом 50 50 50 50 50 34 Імпульс 3b Td, нс 100 100 100 100 100 Vp, В 100 100 100 75 100 Rs, Ом 50 50 50 50 50 Імпульс 5 Td, мс 300 400 300 120 500 380 Vp, В 50 100 43,5 80 70 60 Rs, Ом 0,5 2 0,5 2,5 0,5 0,75
Як згадувалося раніше, низьковольтні високоефективні імпульсні перетворювачі не можуть бути запитані безпосередньо від батареї. Тому акумулятор часто підключається через пригнічувач перехідного напруги (зазвичай металоксідний варістор), або з шунтувальним конденсатором, підключеним до звичайного обмежувача вхідної напруги. Ці прості схеми будуються на КМОП- (MOSFET-транзисторі) з p-каналом (рис. 5a), з робочою напругою від 50 до 100 В, в залежності від очікуваного рівня перехідних процесів напруги на VBAT.
Мал. 5. a) Обмежувач напруги на p-канальному MOSFET транзисторі b) обмежувач напруги на npn транзисторі с) обмежувач напруги на n-канальному MOSFET-транзисторі.
Стабілітрон Z1 номіналом 12 В перешкоджає перевищення напруги затвор-витік транзистора понад VGSMAX. Транзистор працює в режимі насичення, коли вхідна напруга VBAT менше напруги пробою стабілітрона Z2. Під час перехідного процесу MOSFET блокує напруги більше напруги пробою Z2. Недоліком даного методу є використання дорогого MOSFET з p-каналом і безлічі пов'язаних з ним компонентів.
Інший метод заснований на використанні npn-транзистора. На базі транзистора зафіксовано напруга VZ3, яке також регулює і напруга на емітер (VZ3 - VBE). Таке рішення недорого, але через падіння напруги VBE виникає втрата потужності PLOSS = IIN · VBE. Падіння напруги VBE також збільшує мінімальний необхідний рівень напруги батареї, що особливо критично при запуску холодного двигуна (рис. 5b).
Третім рішенням є використання n-канального MOSFET-транзистора, які більш поширені, менш дорогі і можуть використовуватися як елемент блокування. Підключення затвора цього транзистора ускладнено тим, що необхідна напруга VG має бути більше напруги джерела. Блок-схема на рис. 5c показує використання MOSFET-ключа в ролі пристрою блокування. Під час падіння навантаження MOSFET повністю вимикається, якщо VBAT перевищує встановлену межу, і залишається вимкненим весь час, поки VBAT вище межі. Контролер захисту від перенапруги MAX 6398 захищає джерело живлення від перенапруг мережі автомобіля (падінь навантаження і подвоєння напруги батареї) якраз шляхом управління n-канальним MOSFET (див. Рис. 6).
Мал. 6. Імпульсний 2 МГц перетворювач MAX5073 зі схемою захисту від перенапруги (MAX6398) на вході
На рис. 7-9 наведені результати лабораторного тестування помехозащищенности і показана практична реалізація пристрою захисту від перехідного напруги на n-канальному MOSFET. Параметри для рис. 7: власна частота перетворювача 2,2 МГц, частота імпульсів на вхідному конденсаторі 4,4 МГц (CH1 = SOURCE2; CH2 = SOURCE1; CH3 = Input Capacitor Ripple; CH4 = CLKOUT).
Мал. 7. Форма сигналів в здвоєному імпульсному перетворювачі MAX5073, показаному на малюнку 6
Параметри для рис. 8: імпульс 5 (80 В, 120 мс, OEM5) подано на вхід схеми захисту. MAX5073 з'єднаний з виходом схеми захисту. Масштаб часу на рис. 8а - 1 с / см, на 8б - 1 мс / см. (CH1 = VBAT; CH2 = VPROT; CH3 = Output-1; CH4 = Output-2).
Мал. 8a. Стан виходу 1 MAX5073
Параметри для рис. 9: імпульс 5 (70 В, 500 мс) подано на вхід схеми захисту. MAX5073 з'єднаний з виходом схеми захисту. Масштаб часу на рис. 9а - 1 с / см, на 9б - 200мкс / см. (CH1 = VBAT; CH2 = VPROT; CH3 = Output-1; CH4 = Output-2).
Мал. 8b. Стан виходу 2 MAX5073
Мал. 9a. Стан виходу 1 MAX5073
Мал. 9b. Стан виходу 2 MAX5073
Як показано на рис. 9, MAX6938 ефективно блокує імпульси при падінні навантаження в автомобільній мережі і регулює напругу, необхідне для низьковольтної електроніки. Використання комбінації пристрої захисту та високочастотного перетворювача економить простір і знижує витрати в порівнянні з високовольтними рішеннями, які працюють на значно більш низьких частотах.
Електронний портал сучасної радіотехніки й електроніки
Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка -
e-mail: [email protected]
Новий 802.11g / b-сумісний РЧ-трансивер
Компанія Maxim Integrated Products представила однокристальний, сверхмаломощний 802.11g / b-сумісний РЧ-трансивер прямого перетворення MAX2830 з вбудованими підсилювачем потужності (УМ), перемикачами прийом / передача / тип антени і схемою кварцового генератора. MAX2830 є першим в галузі трансівером, який містить перемикачі прийому / передачі і типу антени, що дозволяє заощадити площа друкованої плати і витрати на комплектуючі в порівнянні з рішеннями конкурентів. Мінімальна ціна і малі розміри цього високоінтегрірованного трансивера роблять ідеальним застосування MAX2830 в Wi-Fi-пристроях, КПК, VoIP-застосуваннях і стільникових телефонах.
MAX2830 також містить кварцовий генератор з цифровим керуванням (DCXO), який виступає в ролі генератора, що задає і дозволяє використовувати невеликі, недорогі і малопотужні кварцові резонатори.
MAX2830 розроблений з використанням є власністю компанії Maxim високоякісної технології SiGe BiCMOS. Трансівер працює від напруги живлення 2,7 ... 3,6 В, а УМ харчується напругою 2,7 ... 4,2 В, що дозволяє живити MAX2830 безпосередньо від акумулятора стільникового телефону. Приймач споживає струм 62 мА в режимі прийому, при цьому досягаючи рівня шуму 3,3 дБ. Це дозволяє йому домогтися кращої в своєму класі чутливості прийому -75 дБм (64QAM OFDM) без зовнішнього малошумящего підсилювача.
MAX2830 випускається в мініатюрному 48-вивідному корпусі TQFN-EP з розмірами 7х7 мм. Для прискорення проектування випущена отладочная плата.
Про компанію Maxim Integrated
Компанія Maxim Integrated є одним з провідних розробників і виробників широкого спектра аналогових і цифро-аналогових інтегральних систем. Компанія була заснована в 1983 році в США, в місті Саннівейл (Sunnyvale), штат Каліфорнія, інженером Джеком Гіффорд (Jack Gifford) спільно з групою експертів зі створення мікроелектронних компонентів. На даний момент штаб-квартира компанії знаходиться в м Сан-Хосе (San Jose) (США, Каліфорнія), виробничі потужності (7 заводів) і ... читати далі
