基于LDO的汽车24V系统电源设计

基于系统电源设计 丁绪星，吴双 (安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖 241000) 摘要：设计一种基于加前级降压电路和单片机监控功能，应用于汽 车车身控制器的24出该电源的电路图及软件控制方法。试验测试结果表明：即使在极端负载条件 下，该电源模块输出电压稳定、温度特性好，且实现成本低。 关键词：低压差线性稳压器(压斩波器(车身控制器 中图分类号：3 文献标识码：A 文章编号：10038639(2014)09002003 4v uU 41000， 24V is on DO in 4 of is he 于24 率要求 高，现有的电源多采用 而，之其外围电路复杂，需 要加入电感元器件又增加了材料成本。另外，路工作在一定开关频率下，影响了电源模块的电 磁兼容性能；若要达到汽车环境的要求，需要加入 滤波器甚至屏蔽外壳等措施。进而增加了整体产品 的成本。例如，某公司设计生产的厢式货车车身模 块，24电源采用，加上外围器件及提高其电源模块料)成本在12元人民币左右(总 量10000件)。 低压差线性稳压器 是一种由在线性区域内工作的晶体管或者场效应管 制成的直流转直流降压电路口。它具有小型化、无 需复杂的外围电路、电磁兼容性(、低成 本等诸多优点被广泛应用于需要进行12 转换的汽车电气环境中。在24于 出电压差额过大，直接使用会产生 大量发热导致芯片损坏。本设计对具有用 量大、采购方便、成本低、适用性强等特点，选用 P一路在使用 过前级降压及单片机采样监控的 方法，保证压差过大而损坏：电路(总量10000件)；是一种低成本、高适用性(电 磁兼容性)的24以作为车身模 块、组合仪表、空调控制器或者辅助显示器的24 V 转5 1 硬件设计 11 设计要求及技术指标 本设计作为24 单片机及其它外围芯片供电。结合汽车环境，设计 要求如下。 1)输入电压范围： 汽车电池电压的波动范围。图1即为的汽车电源转换器需要满足的临界条件。其中 为24+04 V，16 V， 为一512 V。 2)系统散热：24源设计必 须处理【， 图1 规定的启动电压波动范围 收稿日期：20140225；修回日期：20140407 基金项目：安徽省科技攻关项目(1301023003) 作者简介：丁绪星(1971一)，男，安徽六安人，教授，主要研究方向为汽车电子与物联网技术。 董 移汽车电器23)静态工作电流：大多汽车生产厂商对车身 控制器及车上各种电子模块都有静态工作电流的限 制，即在汽车处于无人使用的情况下电子模块的 待机电流必须小于一个数值。例如针对本款设计， 车身模块的静态电流要求是01 4)系统成本：车身控制器电源模块的材料成本占 据了非常重要的地位，设计需要充分控制5)电磁兼容性：如今所有厂商都对汽车上的 电气模块有的要求。相关标准有21437 2008等。 结合以上几点以及本设计中应用于24块产品的负载需求电源设计的主要技术指标如 下：输入直流电压范围827V：输出直流电压 5 V；最大输出负载350 静态工作电流 01 工作温度一4O85；需要符合电磁兼容性的相关要求。 12电路结构及原理 系统结构框图如图2所示。本设计中的电源主 要由过单片 机控制开关打开前级降压电路中的调整管以达到为 输入 r 电压采样 1 、 4V L 调整管电路卜 _j 单片机L，一 ， 负反馈 控制开关r 前级降压电路 图2系统结构框图 源模块工作在2个模式。 静态工作模式下。由于负载电流非常小(O1 单片机关闭调整管以减少功耗，电流通过分 流及静态模式通路输入时尽管压差(一245=19V)非常大，但是由于负载 电流仅为01正常模式下，单片机打开调整管，前级降压电 路将大降低端压差。在经过降压调整后，到12样在单片机通过两路采样监控，以判断电路的工作状态。电路如图3所示。 图3电路原理图 基于优势，相比斩波电路，无需对。其中1000及两个电解电容 起到去纹波与蓄电池端噪声的作用同时可以与4 个并联的11 一步提升了电源的调整管Q 及并联电阻R 、R 、R。、R 构成了前 级降压电路，起到降低片 机通过IQ ，从而开启Q 并在其Ce 极产生压降；最后通过稳压二极管D 的作用，将 级降压电 路是本设计中重要的部分。它通过单片机控制调整 管的开关，为电路 在24R 与Q：构成负反馈环节，R 上的电流来自Q：发 射极及 两端压降产生的电流；当，R 两端压差变小，Q 管发射极电流增大，以补 偿R 电流的下降；Q。管的发射极电流的增量被Q。管 放大而造成Q 的C此完成负反馈作 用。负反馈环节在电源负载突变时，通过Q。与Q：的 放大作用，补偿下降，以提高2软件设计 电路的两个工作模式切换由单片机完成：静态 电流模式下关闭调整管以获得较低的功耗；正常模 汽车电器2014年第9期 式下打开调整管降低。系统通过单片机对N)、输出 端(电压采样监控，判断电路的工作状 态并做出调整，以保护系统软件控制流程图如图4所示。 图4软件控制流程图 3试验测试 为了验证本设计硬件及软件的实际工作效果 试验模拟车载极端环境。记录输入电压为85050电压以及 系统的工作温度。试验框图如图5所示。试验数据 如表1所示。 图5试验框图 从结果数据分析，当输入电压为最低8 由于入输出压差低的情况下 仍然可以输出稳定的电压，且在静态模式(负载 0097 高温度点 的温升只有02。，此时系统功耗最低。在输入电压 为27V。负载电流超过450源 输出电压5001 V，误差小于千分之一，此时最高温 度点出现在仍属于正常范围。此情况表 明：电源在超出额定负载的情况下，温度特性依然 很好且输出电压稳定。 由此可见，静态通路保证了电路在待机模式下 功耗最低；在高输入电压、高负载电流情况下，前 级降压电路保证了负反馈环节使电源在负载变化时能够完成闭环调 时，负载为静态模式(O1 15050节，电源输出电压稳定，且误差小于千分之一。 表1验证试验数据(环境温度25) 4结束语 本文设计了一种将常用于源应用于24电路结 构简单，工作稳定可靠且温度特性好，是满足同样 设计指标的15。相比 设计中基于，保证电源电 压输出稳定且不易受负载波动影响，设计中加入了 单片机监控及负反馈环节。本设计是工作在24系统中的车身控制器，组合仪表、空调控制器等 电子模块5前。设计中 的电路作为一款厢式货车车身控制器的5 用。此电路位于车身控制器的主控电路板上，将 汽车电池端的24，为车身控制 器的主控芯片、网络收发器芯片及其他需要5 的电路供电。另外，后续设计可以扩展连接输 出电压为12V、33j 2汽车电器2考文献： 1王科文基于_信息通信， 2011，4(114)：194196 2