TI二極體控制器助攻汽車應用備援電源拓撲

2024 年 06 月 26 日

備援電源使用多個電源設備爲負載提供必要的電源。這些特色有助提升系統可靠性與可用性,並在其中一個電源供應單元故障時確保系統安全。在汽車系統中,備援電源供應器對於安全應用尤其重要(例如自動駕駛),因為萬一發生斷電時可能會導致嚴重後果。

ORing和優先電源多工是在汽車系統中實作備援電源的兩種常見技術。在ORing中,系統從多個輸入中選擇最高電壓的電源,而電源多工則可讓系統根據優先權或其他標準,在不同的電源供應器間切換。設計人員過去曾使用過蕭特基二極體、P通道場效電晶體或兩者的組合,以用於電源供應器中的備援電路。

理想二極體控制器是可控制外部金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)以模擬理想二極體行為的積體電路(IC)。這些二極體擁有比傳統二極體更多的優勢,例如更低的功率消耗、更高的電流能力、反極性防護、反向電流阻斷與負載突降防護。理想二極體控制器也可提供突波電流限制、過電壓與過電流防護。

以下主要探討使用理想二極體控制器進行ORing和電源多工的概念和優勢、ORing和電源多工電路的不同類型和架構,以及在汽車系統中使用理想二極體控制器實作ORing和電源多工的挑戰和解決方案。

ORing和電源多工技術使用理想二極體將多個輸入電源連接至單一輸出負載,但它們在不同輸入來源間選擇和切換的方式有所不同。

ORing電路協助系統根據最高輸入電壓從多個輸入中選擇最佳可用電源。理想二極體可做為在輸入電壓高於輸出電壓時開啟的開關,在輸入電壓低於輸出電壓時則會關閉。如此一來,ORing電路可確保具有最高電壓的輸入來源連接至輸出,並防止輸入來源間的逆電流和交叉傳導。如果輸入電源幾乎相等,則兩個電源都可能共享負載,而它們之間沒有任何循環電流。因此,反向電流阻斷是實現ORing電路所需的主要特性。

電源多工電路可讓系統根據來源優先順序或輸入電壓可用性及幅度等標準運作,因此不論電壓幅度為何,都能在不同的電源間切換。在此配置中,控制電路需要切換各電源供應器和負載之間的電源路徑,並由其優先順序邏輯或外部訊號控制,例如微控制器通用輸入/輸出接腳。電源多工電路可確保在任何時間點只有一個輸入源連接到輸出,並防止輸入來源之間的反向電流和交叉傳導。所以此配置中的電路需要具有反向電流阻斷和負載路徑開啟和關閉控制功能,才能使具優先權的電源供應器為負載供電。

ORing電路在資訊娛樂、車身控制模組、先進駕駛輔助系統與照明模組等車用子系統中十分常見,因此可在電源供應器故障或中斷連線時提供備援與可靠性。

有效的ORing解決方案必須要非常快速,如此才能在其中一個電源故障時限制逆電流的持續時間和數量。ORing配置中的理想二極體控制器可持續感應陽極和陰極針腳之間的電壓差,它們分別是電源(VIN1、VIN2和共負載(VOUT)點的電壓電平。快速比較器會透過快速下拉功能關閉閘極驅動器,只要VIN–VOUT低於指定的逆低限,通常只有幾毫伏。除了快速逆電流偵測比較器,TI理想二極體控制器也具備線性閘極穩壓機制,可確保在輸入供應損耗時提供零DC逆電流。

有些子系統需要斷開電源的負載,以達到低靜態電流或保護系統以防受故障狀況影響。由LM7470-Q1和LM7480-Q1驅動的FET Q1和Q2分別提供ORing

功能,而由LM7480-Q1驅動的Q3 FET則可隔離負載與電源供應器。當VIN1大於VIN2時,LM7480-Q1獨立控制FET允許Q2阻斷逆電流,而Q3保持開啟狀態,將VIN1連接到VOUT

當一次電源電壓降至指定閾值以下時,優先電源多工器會自動將主電源轉換爲輔助電源(AUX)或二次電源供應器。如果可用且在可接受的限制範圍內,一次電源供應器始終是爲負載供電的第一個來源。舉例來說,如果配電單元中的上游智慧型保險絲在子系統的主電源上跳閘,優先電源多工器電路會自動將輔助電源連接到輸出,並斷開一次電源供應器與此輸出的連接,以避免子系統運作出現任何中斷。如果上游智慧型保險絲復位,且一次電源電壓上升到可接受的閾值,則優先電源多工器電路會將一次電源自動連接回輸出,並斷開輔助電源。

電源多工器電路需要LM74800-Q1或LM74900-Q1等控制器,才能控制各電源軌上的兩個背對背MOSFET。當一次電源和輔助電源均存在,且在可接受的範圍內,並且一次電源正在爲負載供電時,輔助路徑控制器必須在一次電源電壓高於輔助電源時阻止反向電流。同樣,當一次電壓低於輔助電壓時,輔助路徑控制器必須阻止正向電流。這可確保具有最高優先權的一次電源爲負載供電,而且輔助電源與一次電源和負載隔離。

LM74900-Q1理想二極體控制器可驅動和控制外部背對背N通道MOSFET,以模擬具電源路徑開啟和關閉控制及過電壓防護的理想二極體整流器。在VAUX路徑中,LM74900-Q1的過電壓接腳經過配置後,可在VPRIM因任何原因中斷連接時,由VAUX電源供應器立即連接至負載,並確保持續供電給負載。

電源多工器電路旨在當VPRIM切斷或超出可接受範圍時,負載會切換為由VAUX供電,以保持輸出壓降低。若要讓轉換期間保持輸出壓降低,在VAUX路徑中由LM74900-Q1驅動的負載開關FET(Q4)必須在關閉VPRIM的電源路徑時(透過關閉Q2)迅速開啟。但HGATE接腳的設計為了做到突波電流限制的緩慢啟動,所以僅供應55μA閘極電流,但這麼做會變得太低以致無法快速將HGATE轉高。

具備帶電阻器(RCP)電晶體(Q5)和二極體管(D2)的小電路會增高HGATE來源電流。也可透過將Q5的發射器連接到Q4的閘極來增加閘極電流,因爲Q5允許電荷泵電容器直接將HGATE拉高。或者,也可透過更改RCP的電阻值來調整Q4閘極來源電流。D2提供Q5周圍路徑以關閉Q4。

具有先進功能的理想二極體控制器可實現ORing和電源多工電路的不同架構。理想二極體控制器提供反向極性防護、反向電流阻斷、負載突降防護、主動式整流、過電壓防護與突波電流限制等功能與優勢,可協助實現完整的輸入電源路徑防護,並確保系統可靠性與安全性。

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