设计汽车集群电源

[导读]集群变得越来越大，以容纳越来越多的驾驶员可用的数据，并实时提供这些信息。集群显示器正在从传统的基于机械的解决方案转向基于 LCD 的设计，为驾驶员提供了更多选择来定制它并个性化驾驶体验。这种趋势给设计工程师带来了一些挑战。电机驱动器是机电的，不会显示出来自 EMC 等问题的明显干扰，但 LCD 显示器上的这个问题可以看作是可见的波纹（断续线），这会分散驾驶员的注意力。实际上，可以比 LCD 显示器更好地屏蔽电机驱动器，LCD 显示器必须更加开放，而不是隐藏在前面板后面。

集群变得越来越大，以容纳越来越多的驾驶员可用的数据，并实时提供这些信息。集群显示器正在从传统的基于机械的解决方案转向基于 LCD 的设计，为驾驶员提供了更多选择来定制它并个性化驾驶体验。

这种趋势给设计工程师带来了一些挑战。电机驱动器是机电的，不会显示出来自 EMC 等问题的明显干扰，但 LCD 显示器上的这个问题可以看作是可见的波纹（断续线），这会分散驾驶员的注意力。实际上，可以比 LCD 显示器更好地屏蔽电机驱动器，LCD 显示器必须更加开放，而不是隐藏在前面板后面。

其次，现代集群显示器需要在冷启动和热启动条件下工作。在汽车运行的这些阶段，它们可能特别容易受到系统输入和输出上的大瞬变的影响。此类情况还可能导致在电机驱动器上可能看不到的显示器干扰，例如模糊的图形或失真。

最后，随着集群显示器变得越来越大，PCB 会增长以支持显示器，因为它是单元整体结构的支柱。PCB 显着增加了整体解决方案的成本，并且可能成为物料清单中成本最高的项目。因此，集群 PCB 通常设计为两层以保持低成本。两层设计更容易受到噪声的影响，因为只有几层铜层可以最大限度地减少通过电源层的噪声。这对必须设计此类系统的工程师提出了相当大的挑战。

设计汽车集群电源

图 1：集群电源参考设计。

TI Designs 参考设计，即用于汽车集群单元参考设计的 CISPR 25 5 类额定 14W 多输出电源参考设计，可以帮助克服这些问题或指导工程师采用最佳实践（图 1）。该参考设计是针对汽车仪表板单元的传导电磁干扰 (EMI) 优化的两层板电源。电源有两个级联的降压稳压器。第一级降压使用 LM26003 在 2A 输出时产生 5V。第二级使用 LM26420 产生两个 1.5A 时 2.8V 和 2A 时 1.8V 的输出（总最大输出功率为 14W）。

LM26003 是宽 V IN非同步降压稳压器，LM26420 是 5V 输入双路 2A 高频同步降压稳压器。它们均符合 AEC-Q100 1 级汽车标准。

该参考设计的输入电压范围为 6.5V 至 38V，使其适用于 12V 汽车电池系统并涵盖大多数冷启动和热启动条件。如果规范要求低于 6.5V，则有必要使用预升压或降压升压。两层板设计有一个额外的输入滤波器级，以提高传导 EMC 性能并最大限度地减少对显示器的任何挑战，例如闪烁的线条，或信息不可见或不正确显示。该板已根据汽车 EMC 标准 CISPR 25 进行了测试，其传导发射符合 CISPR 25 5 类要求。请参见图 2。

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图 2：使用集群电源参考设计在 150kHz 至 30MHz 范围内传导 EMC。

通过这样的设计，可以满足大型 LCD 显示器的严格要求，通过提供高效率来管理热约束（因为用于散热的 PCB 层有限），并通过尽可能少的组件将成本保持在最低水平用于噪声抑制。

PMP9458 参考设计是针对汽车仪表板单元的传导 EMI 优化的 2 层板电源。电源有两个级联的降压稳压器：第一级降压使用 LM26003 产生 5V、2A 输出，第二级使用 LM26420 产生 2.8V、1.5A 和 1.8V、2A 两个输出（最大输出总功率为14W）。LM26003 是宽输入电压非同步降压稳压器，LM26420 是 5V 输入双 2A 高频同步降压稳压器。它们都有汽车级版本，符合 AEC-Q100 1 级标准。该设计的输入电压范围为 6.5V 至 38V，使其适用于汽车 12V 电池系统。2 层板设计对 PCB 布局进行了优化，并增加了一个输入滤波器级以提高传导 EMI 性能。

特征

· 传导 EMI 优化的 2 层 PCB 设计

· 符合 CISPR 25 5 类传导发射标准

· 6.5V 至 38V 宽输入电压范围

· LM26003 和 LM26420 均提供符合 AEC-Q100 标准的版本

· 通过跳线引脚可配置电源启用/关闭

· 此电路板经过测试，包括设计文件和测试报告

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LM26420 稳压器是一款单片高效双路 PWM 降压 DC/DC 转换器。该器件能够通过内部 75-mΩ PMOS 顶部开关和内部 50-mΩ NMOS 底部开关驱动两个 2-A 负载，使用最先进的 BICMOS 技术可实现最佳功率密度。世界一流的控制电路允许低至 30 ns 的导通时间，从而在整个 3V 至 5.5V 输入工作范围内支持异常高频转换，最低输出电压为 0.8V。

虽然工作频率很高，但高达 93% 的效率很容易实现。包括外部关断，具有超低待机电流。LM26420 利用电流模式控制和内部补偿在各种工作条件下提供高性能调节。

LM26003 是一款开关稳压器，专为满足具有待机模式的应用的高效率要求而设计。该器件具有低电流睡眠模式，可在轻负载条件下保持效率，并具有电流模式控制功能，可在宽输入电压范围内进行精确调节。在停机模式下，静态电流通常降至 10.8 µA，而在睡眠模式下则低于 40 µA。强制 PWM 模式也可用于禁用睡眠模式。

LM26003 器件可通过内部 N 沟道开关提供高达 3A 的连续负载电流和固定的电流限制。该器件具有 4.0 V 至 38 V 的宽输入电压范围，并且可以在线路瞬态期间以低至 3 V 的输入电压工作。

工作频率可通过单个电阻在 150 kHz 至 500 kHz 范围内调节，并可与外部时钟同步。

其他特性包括电源良好、可调节软启动、使能引脚、输入欠压保护以及用于减少组件数量的内部自举二极管。