应对售后市场电子产品和基础设施的电源挑战
工业运输电子产品包括汽车、卡车、火车、飞机和船舶自动化和娱乐的售后市场附加功能，以及道路、海上通道、火车和空中交通管制的基础设施自动化。本应用笔记讨论了主要市场趋势和客户需求，这些趋势和客户需求给售后市场技术和运输基础设施自动化的电源设计带来了新的挑战。本文还将研究应对这些挑战的解决方案，特别强调电源架构。本应用笔记的类似版本最初于2018年4月17日出现在Electronics for U上。
介绍
售后汽车产品推动了从信息娱乐和远程信息处理到高级驾驶辅助系统 （ADAS） 的非凡创新。GPS、后视摄像头和停车传感器等功能现在在车辆中很常见。全球公司也在不断推出新的售后市场技术。车队管理、车载诊断、平视显示器和货运控制/监控只是汽车和卡车、火车、船舶、航空电子设备和国防应用中技术的几个例子。
更高效地运送人员和货物的交通基础设施自动化包括 HOV 车道控制、停车/收费、计价器、交通控制等。许多其他创新使更快的移动、准时的时间表和更少的事故成为可能。
工业运输市场趋势
车队管理和物流是工业运输中最具活力的应用之一。跟踪从各个地区、州、国家甚至海外制造和运输的货物是一项大生意。例如，考虑易腐烂的物品。农产品和其他食品在运输时必须保持在调节的温度、压力或其他参数下。同样，安全货物需要传感器来跟踪位置和进入。驾驶员安全也至关重要，需要来自监控驾驶员警觉性的摄像头和跟踪车辆位置的GPS系统的数据。这些数据使用无线网络和云基础设施进行记录，复杂的算法综合数据，以做出路线和/或驾驶员安全的实时决策。几家GPS导航公司已进入车队管理市场，提供硬件和软件产品和服务。
对于信息娱乐，有些人可能会觉得鉴于已经可用的标准功能，创新空间不大。然而，汽车设计师正在创造的不仅仅是简单的智能手机界面，还为车辆带来了进步，例如平视显示器（HUD），它将手机屏幕投射到挡风玻璃上，并带有手势控制，以在地图上和视频通话之间导航，或者其他显着功能，如天气，股票行情和日历。另一个活跃的产品开发领域涉及座椅靠背屏幕，以反映后排乘客的手机屏幕。
ADAS应用正迅速成为车辆的标准功能。照明、停车传感器、交通警告、后视/扩展摄像头和车对车（车对车）接口是可用的售后 ADAS 功能。几家制造商正在研究解决方案，以帮助驾驶员避免意外的车道偏离、碰撞、行人和道路危险，并在限速范围内行驶。
在繁忙的城市地区，人们花了很多时间在汽车上，以至于我们看到许多汽车和公共汽车上的无线网关。这种能力使乘客在长途通勤中保持高效。
典型系统架构
图1.典型的车队跟踪/管理系统架构。
车队跟踪设备的电源架构
车辆电池（汽车中通常为 12V，许多卡车中通常为 24V）为车队跟踪/管理设备供电。该设备作为售后附加组件，而不是有界限的OEM版本，面临着更苛刻的电源管理环境。这些设备中的大多数还具有可充电备用电池，通常为3.6V，当主电池电量丢失时可持续使用两到三天。从主电池源，前端电子设备受到瞬态和故障条件的保护。为了给各种数字逻辑和vwin IC供电，降压型DC-DC转换器和LDO将受保护的电压转换为可用的较低电压（即3.3V、2.5V、1.2V）。
图2.典型的车队跟踪/管理电源架构。
故障保护
与许多其他从车辆电池中获取电力的电子设备一样，必须保护车队跟踪/管理设备免受负载突降、再生制动、长电缆振铃和其他此类事件引起的电压浪涌的影响。
当交流发电机旋转时电池电缆突然断开时，就会发生负载突降。此事件将高能量放回车辆电源线上，那里没有任何东西可以吸收它，从而导致高电压，可能会损坏未受保护的电子设备。
在再生制动中，当电动汽车驾驶员踩下制动器时，电机会捕获车辆的动能并将其发送回电池充电。由于再生制动的高能量、高di/dt性质，因此存在与此事件相关的高压振铃。当存在高 di/dt 事件时，例如当设备插入板载诊断连接器时，会发生长电缆振铃。为设备的板载电容器或备用电池充电的浪涌电流与电缆的电感谐振并导致高压振铃。具有较高寄生电感的较长电缆表现出更严重的电压振铃。新的OBD-II标准规定诊断连接器距离方向盘不到两英尺（0.61米），而主电池则远离引擎盖下或卡车侧面。这种要求的缺点是它使从电池到OBD-II连接器的电缆更长，因此更容易出现高压振铃。
电缆振铃引起的高压故障
图 3 显示了实验室设置中的电缆振铃。24VDC 电源模拟卡车上的 24VDC 电池。一根 10 英尺长的电缆将电源连接到陶瓷电容器（1μF 或 10μF），以模拟车队跟踪设备的输入电容。
图3.电缆振铃测试设置。
图4显示了在初始插入时模拟电缆振铃的第一个测试，当浪涌电流（为先前放电的电容器充电并通过电缆寄生电感建立）与电路板输入电容谐振时。当输入电容为10μF时，峰值振铃电压为32V，电压尖峰为42.6V。当输入电容为1μF时，峰值振铃电压为40V。
图4.首次插入时电缆振铃。
图5显示了模拟电缆上短暂短路情况的第二个测试。消除短路后，通过电缆寄生电感建立的短路电流与电路板输入电容谐振。当输入电容为10μF时，峰值振铃电压为40V。当输入电容为1μF时，峰值振铃电压为50.4V，是24V源电压的两倍多。
图5.短暂短路后电缆振铃。
该实验使用10英尺的电缆，该数量代表了卡车电缆从电池到OBD-II连接器的合理估计，以证明峰值振铃电压可以轻松地使输入电压源加倍。高峰值振铃电压可能发生在不同的电缆长度和不同的器件输入电容下。实际上，峰值振铃电压可以计算如下：
我在哪里PK是峰值短路电流，
是系统的特性阻抗。在这种情况下，L是电缆寄生电感，C是器件输入电容。
其他需要考虑的故障
由于电子元件可能会遇到短路故障，因此短路和/或过流保护电路对于防止火灾危险以及将电源线与故障短路设备隔离至关重要。当环境温度过高或存在其他故障（即过流）时，过温保护可通过降低功耗或完全关闭器件来防止永久性损坏。过温保护可防止系统过热和火灾危险，并确保系统在其定义的温度限制内运行。反向连接电池或反向安装电源线可能会触发反向电压故障。虽然不太可能发生，但如果没有适当的反向电压保护，反向电压故障通常会对电源线和连接到电缆的电子设备造成代价高昂的损坏。
我们已经讨论了保护设备免受许多可能故障的影响的必要性。使用分立元件实现故障保护电路可能非常乏味、昂贵且并非万无一失。由于元件数量众多，解决方案很大，系统设计人员有责任验证和保证电路性能随时间推移。考虑到系统在响应故障（打开开关，关闭系统，然后让技术人员重新启动系统）时缺乏灵活性，总拥有成本也很高。
图6所示为Maxim的奥林巴斯系列器件MAX17523 （36V/1A）的现代保护IC。这款高度集成的 IC 将所有必需的保护功能集成到单个纤巧型 16 引脚 TQFN 3×3mm 封装中。该器件使用起来非常简单，同时为 12V 运输电子设备提供了坚固耐用的解决方案。MAX17523提供以下特性：®
高输入电压容差（+4.5V至+36V工作范围）
反向电压保护（可承受-36V负输入电压）
反向电流保护
短路、过流保护
过温保护
图6.MAX17523典型应用原理图
对于24V运输系统，需要更高额定电压的保护IC。Maxim奥林巴斯保护IC系列的MAX17525（+5.5V至+60V，0.6A至6A）是理想的选择。该器件采用节省空间的 20-TQFN 5×5mm 封装。MAX17525具有以下特性：
高输入电压容差（+5.5V至+60V工作范围）
反向电压/电流保护（可承受-60V负输入电压）
短路、热折返限流保护
过温保护
可调 OVLO、UVLO、启动电流和正向电流限制
利用现代 DC-DC 稳压器解决空间限制问题
与许多其他运输电子设备一样，车队跟踪/管理设备在物理上很小。消除设备的散热以将其温度保持在范围内是一项挑战。将电源电路安装到狭小的空间中需要高度集成。有效集成功率 MOSFET、补偿电路和其他外部组件的现代 DC-DC 电源解决方案有助于减小电路尺寸。将小尺寸解决方案与高效的同步整流技术相结合，有助于降低功耗。Maxim喜马拉雅系列的MAX15062 （4.5V-60V，300mA）就是此类器件的一个例子，在纤巧的8 TDFN 2×2mm封装中提供92%的峰值效率。
图7.MAX15062典型应用原理图
为了进一步提高集成度，喜马拉雅电源模块还包括功率电感器、电阻器和带 DC-DC 稳压器的电容器。对于设计人员而言，这些模块易于使用和设计，可实现快速上市，同时只需要一个输入电容器、一个输出电容器、两个小型电压设置电阻器和一个可选的软启动设置电容器即可实现完整的电源解决方案。MAXM17545 （4.5V至42V，1.7A）和MAXM17575（4.5V至60V，1.5A）是喜马拉雅电源模块的典范。
当今的汽车和智能运输自动化应用拥有数百个传感器。在这些应用中，传感器被添加到空间受限的设备中。为传感器供电需要更高的集成度。MAXM17532采用先进的封装技术，将42V、100mA电源方案小型化为2.6×3×1.5mm uSLIC。™电源模块。这种高效的同步 DC-DC 降压电源模块还最大限度地减少了传感器的散热。
4.0V 至 42V V在范围
0.9V 至 5.5V V外范围
100mA 连续电流
图8.MAXM17532典型应用原理图
图9.MAXM17532 uSLIC功率模块，内置微型接近传感器。
有人可能会说：我可以使用LDO为传感器供电！是的，这是正确的，因为LDO通常成本低且易于使用，但它具有高功耗，这是一个关键的缺点。
例如，传统的简单数字/模拟传感器可能需要5V/20mA，并具有24V输入（标称）。LDO两端的功耗为（24V – 5V）×20mA = 0.38W （标称值）。更新的传感器具有更高的智能、更多的功能和更大的灵活性。所有这些特性意味着更大的功率，比如100mA。在保持相同的输入/输出电压的情况下，LDO两端的功耗为（24V – 5V） ×100mA = 1.9W。这种明显更高的功耗必须在同一传感器的物理外形尺寸中消散。除此之外，传感器上还增加了更多的电路，需要更小的尺寸和更高的集成度。
Maxim喜马拉雅的uSLIC电源模块可满足尺寸和功耗要求。在24V输入、5V/100mA输出和85%效率下，MAXM17532的功耗为（5V × 100mA）× （1/85% - 1） = 0.09W，或仅为LDO中功耗1.9W的5%。低功耗意味着更低的系统工作温度和更高的长期可靠性。
总结
不断增长的售后市场运输电子行业涵盖车载系统和运输基础设施。服务于该市场的设备必须能够抵抗过压、过流、反向电压、反向电流和过温等瞬态条件。高度集成的保护IC可防止这些条件，与使用分立式解决方案相比，简化了设计。这些类型的设备也变得越来越小，同时仍然提供许多功能。这需要更高的集成度，例如高效电源管理解决方案中可用的解决方案，以减轻散热，同时增强长期系统可靠性。
审核编辑：郭婷
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