簡介
車輛追蹤系統(VTS)通常安裝在汽車和卡車中，透過全球定位系統(GPS)等技術提供有關車輛的速度、位置和方向的即時資訊。
要確保VTS可靠工作，需要配備穩健的DC-DC電源。電源的設計必須能夠防止系統出現常見的汽車故障，如負載突降、冷啟動、反極性以及ISO 7637-2和ISO 16750-2中描述的其他具有破壞性的潛在瞬變。
此外，如果車輛掉電，系統必須能夠切換至備用電池以確保持續運行。最後，汽車電源必須符合汽車電磁干擾(EMI)標準，特別是CISPR 25的要求。
為了因應這些挑戰，ADI開發了 EVAL-ADVTS4152-EBZ 電源解決方案，這是一款適用於車輛追蹤系統的高性能、簡化電源解決方案。
圖 1. EVAL-ADVTS4152-EBZ 電源解決方案評估板
整合解決方案
EVAL-ADVTS4152-EBZ電源解決方案整合三個主模組：LT4356-1 湧浪抑制器、高效 LT8609A 降壓穩壓器和 LTC4040 電池備用電源管理器。這三個模組相互配合，向VTS等下游電子設備提供可靠高效的電源。
EVAL-ADVTS4152-EBZ與標準12 V或24 V系統相容，目的在提供輸出5 V、3 A連續電流。當汽車電池掉電時，系統會自動從單節鋰離子電池(Li-Ion)或磷酸鋰鐵(LiFePO4)電池切換到備用電源。
圖 2. EVAL-ADVTS4152-EBZ 功能框圖
表1. EVAL-ADVTS4152-EBZ電氣規格
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參數
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測試條件/注釋
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最小值
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典型值
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最大值
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單位
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輸入
工作範圍
正湧浪保護
反向保護
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適合12 V和24 V電源系統
主電源
電池
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6.5
2.7
-40
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12 或 24
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38
5
200
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V
V
V
V
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輸出
電壓
漣波
電流
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輸出 = 5 V、2 A
主電源12 V（降壓模式）
電池3.6 V（升壓模式）
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4.5
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3.842
9.522
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5.5
3
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V
mV
mV
A
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備用電池
工作範圍
可選充電電壓
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鋰離子
LiFePO4
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2.7
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3.95, 4.0, 4.05, 或 4.1
3.45, 3.5, 3.55, 或 3.6
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5
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V
V
V
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湧浪抑制器
要設計一款能夠因應高壓瞬變的汽車電源極具挑戰性，因為需要這樣一款元件，既能耗散多餘電力，同時不會損壞敏感的電子元件。EVAL-ADVTS4152-EBZ電源解決方案中的LT4356-1湧浪抑制器就可以保護系統免受高壓瞬變的影響，在高壓瞬變期間仍可持續運行。
LT4356-1驅動一個作為調整管的外部N通道、金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)（參見圖3）。在正常工作模式下，LT4356-1使MOSFET完全開啟，並提供從輸入到下游負載的低阻抗路徑。如果輸入電壓湧浪過高，LT4356-1就會控制MOSFET的閘極，並將輸出電壓調節至由OUT接腳到地之間的R33和R34電阻分壓器設定的安全電壓位準。MOSFET保持開啟狀態，直到接地的TMR接腳處連接的電容電荷(CTMR)達到1.35 V。此時，GATE接腳拉低，使MOSFET關閉。
圖 3. LT4356-1 湧浪抑制器
負載突降
負載突降是高壓瞬變的一個示例。當交流發電機在汽車電池充電期間與電池斷開連接，造成電壓湧浪時，就會發生負載突降。EVAL-ADVTS4152-EBZ使用LT4356-1湧浪抑制器保護敏感的汽車電子零件，可避免這種瞬態情況的影響。
測試設定
我們使用DC1950A負載突降產生器產生負載突降測試脈衝，並透過EVAL-ADVTS4152-EBZ 輸入傳送。然後在EVAL-ADVTS4152-EBZ的輸出施加一個1 A恆流負載。圖4顯示負載突降測試設定。
圖 4. 負載突降測試設定
如圖5所示，實際湧浪波形顯示在通道2 (C2)，湧浪電壓為105.6 V，衰減約400 ms。輸出電壓保持在5 V，顯示在通道3 (C3)，表示電源未中斷。在圖5中，LT4356-1回應也顯示在通道1 (C1)。波形中的平坦區域顯示晶片正在將電壓調節到所需的38 V鉗位電壓（見圖5）。
圖 5.EVAL-ADVTS4152-EBZ在高瞬態電壓下的回應
降壓穩壓器
將LT4356-1的輸出連接到LT8609A高效率降壓穩壓器的輸入（見圖6）。LT8609A具有3.0 V~42 V的寬廣輸入範圍。RT和地之間連接一個電阻，用於設定切換頻率。使用者透過SYNC接腳使能擴頻調變，以實現低EMI運行。
圖 6. LT8609A 降壓穩壓器
電池備用電源管理器
為確保VTS連續工作，還必須提供一個備用電源，在汽車電池掉電時供電。EVAL-ADVTS4152-EBZ有一個LTC4040高電流、升壓DC-DC穩壓器，透過單節鋰離子電池或LiFePO4電池提供備份電源（見圖7）。
當LT4356-1的輸出降至1.2 V電源失效輸入(PFI)閾值以下時，2.5 A升壓穩壓器透過備用電池向下游負載供電。
圖 7. LTC4040 電池備用電源管理器
正常模式到備用電池模式
為了模擬掉電情況，斷開EVAL-ADVTS4152-EBZ輸入端的電源，查看從正常工作模式到備用電池模式的轉換波形。圖9顯示了測試設定。該模擬測試還顯示了EVAL-ADVTS4152-EBZ如何在冷開機等欠壓瞬變情況下繼續運行。
在圖8中，標準12 V輸入顯示在通道1 (C1)。通道3 (C3)中顯示的系統輸出顯示，當12 V輸入下降時，5 V輸出未中斷。此結果也顯示在冷開機瞬變情況下，EVAL-ADVTS4152-EBZ仍可連續運行。
圖 8. EVAL-ADVTS4152-EBZ 在掉電情況下的回應 （VIN = 12 V 和 VOUT = 5 V）
圖 9. 掉電情況模擬測試設定
選擇電池充電電壓
當汽車電池電源可用時，升壓穩壓器將作為降壓電池充電器反向運行。充電電壓可根據電池類型透過使用者可選接腳配置。LTC4040為兩種化學電池（鋰離子電池和LiFePO4）各提供四種不同的充電電壓選項，這些選項可透過S1、S2和S3滑動開關輸入進行選擇。表2顯示了為兩種電池選擇充電電壓的開關配置。
表2. 備用電池的充電電壓設定
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電池類型
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開關設定
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最小值
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典型值
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最大值
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單位
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電池調節輸出電壓
用於LiFePO4選項
用於鋰離子電池選項
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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
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3.42
3.47
3.52
3.57
3.92
3.97
4.02
4.07
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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
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V
V
V
V
V
V
V
V
|
熱關斷配置
如果需要防止異常高的直流電壓，EVAL-ADVTS4152-EBZ還有一個可選的ADT6401 接腳可選溫度開關，可用於提供過溫保護。有關基準電壓源的詳情，請參見 EVAL-ADVTS4152-EBZ, UG-1916 中的ADT6401原理圖。
預合規測試
ISO 7637-2:2011和ISO 16750-2:2012標準
ISO 7637-2:2011和ISO 16750-2:2012標準描述了可能的瞬變情況並指定了瞬變模擬測試方法。需要滿足的測試要求如圖10所示，供參考。
圖 10. ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 測試要求
CISPR 25電磁輻射和傳導輻射
CISPR 25是一項汽車標準，針對車載接收機規定了防電磁輻射和傳導輻射保護要求。圖11和圖12顯示了EVALADVTS4152-EBZ的輻射EMI性能。圖13和圖14顯示了傳導EMI性能。圖11至圖14中的紅線表示CISPR25 5類電磁輻射和傳導輻射峰值限值。
圖 11. 輻射 EMI 性能，水平極化
圖 12. 輻射 EMI 性能，垂直極化
圖 13. 傳導 EMI 性能，正極性
圖14. 傳導 EMI 性能，負極性
