Principios de diseño de fuentes de alimentación para automóviles
1. Rango VIN de voltaje de entrada: 12 V. El rango transitorio de voltaje de la batería determina el rango de voltaje de entrada del IC de conversión de energía.
El voltaje típico de la batería de un automóvil oscila entre 9 V y 16 V. Cuando el motor está apagado, el voltaje nominal de la batería del automóvil es de 12 V; cuando el motor está en marcha, el voltaje de la batería es de aproximadamente 14,4 V. El estándar industrial ISO7637-1 define el rango de fluctuación de voltaje de las baterías de automóviles. Las formas de onda que se muestran en las Figuras 1 y 2 son algunas de las formas de onda proporcionadas en el estándar ISO7637 y muestran las condiciones clave que deben cumplir los convertidores de potencia de alto voltaje para automóviles.
Además de la norma ISO 7637-1, se definen una serie de rangos y entornos de funcionamiento de baterías para motores de gas. La mayoría de las especificaciones nuevas son propuestas por diferentes fabricantes de equipos originales y no necesariamente siguen los estándares de la industria. Sin embargo, cualquier nueva norma requerirá que los sistemas tengan protección contra sobretensión y subtensión.
2. Consideraciones térmicas: El diseño térmico debe cumplir con los requisitos mínimos de eficiencia del convertidor DC-DC.
Las aplicaciones con poca o ninguna circulación de aire harán que el dispositivo se caliente rápidamente (85°C) si la temperatura ambiente es alta (30°C) y hay una fuente de calor presente en el gabinete (1W) . Por ejemplo, la mayoría de los amplificadores de audio requieren la instalación de un disipador de calor y proporcionan una buena circulación de aire para disipar el calor. Además, los materiales de las placas de circuito impreso y ciertas áreas de cobre ayudan a mejorar la eficiencia de la transferencia de calor para lograr condiciones óptimas de disipación del calor. La capacidad de disipación de calor de la almohadilla expuesta en el paquete no supera los 2 W a 3 W (85 °C) sin el uso de un disipador de calor y disminuirá significativamente a medida que aumenta la temperatura ambiente.
Al convertir el voltaje de la batería a una salida de bajo voltaje (como 3,3 V), el regulador lineal perderá el 75% de la potencia de entrada y es extremadamente ineficiente. Para proporcionar 1W de potencia de salida, se consumen 3W de calor. Las limitaciones en la temperatura ambiente y la resistencia térmica de la caja/unión reducirán significativamente la potencia de salida máxima de 1W. Para la mayoría de los convertidores CC-CC de alto voltaje, los LDO ofrecen una buena relación precio/rendimiento en el rango de corriente de salida de 150 mA a 200 mA.
Convertir el voltaje de la batería a un voltaje bajo (por ejemplo, 3,3 V) para obtener hasta 3 W de potencia de salida requiere la selección de un convertidor de conmutación de alta gama, que puede proporcionar más de 30 W de potencia de salida. Esta es la razón por la que los fabricantes de fuentes de alimentación para automóviles suelen elegir soluciones de fuentes de alimentación conmutadas en lugar de arquitecturas tradicionales basadas en LDO.
Los diseños de alta potencia (gt; 20 W) tienen requisitos de gestión térmica más estrictos y requieren una arquitectura de rectificación síncrona. Para lograr un mayor rendimiento térmico que un solo paquete y evitar "calentar" el paquete, considere usar un controlador MOSFET externo.
3. Corriente de funcionamiento en reposo (IQ) y corriente de apagado (ISD):
Con el rápido crecimiento del número de unidades de control electrónico (ECU) en los automóviles, la corriente total de Baterías para automóviles La producción también sigue creciendo. Algunas unidades de ECU pueden seguir funcionando incluso cuando el motor está apagado y la batería está agotada. Para controlar el coeficiente intelectual de la corriente de funcionamiento en reposo, la mayoría de los fabricantes de equipos originales han comenzado a limitar el coeficiente intelectual de cada ECU. Por ejemplo, la UE exige que las ECU tengan un coeficiente intelectual de 100 A, mientras que la mayoría de las normas automotrices de la UE exigen que las ECU tengan un coeficiente intelectual típico inferior a 100 A. El consumo actual de dispositivos siempre encendidos, como transceptores CAN, relojes en tiempo real y microcontroladores, es una consideración importante para ECUIQ, por lo que el diseño de la fuente de alimentación debe considerar un presupuesto IQ mínimo.
4. Control de costos: la compensación del OEM entre costo y especificaciones es un factor importante que afecta la lista de materiales del suministro de energía.
Para productos de gran volumen, el costo es un factor importante a considerar en el diseño. El tipo de PCB, las capacidades térmicas, las opciones de embalaje permitidas y otras limitaciones de diseño están realmente limitadas por el presupuesto de un proyecto específico. Por ejemplo, las capacidades de disipación de calor de la PCB serán significativamente diferentes cuando se utilice una placa FR4 de cuatro capas frente a una placa CM3 de una sola capa.
Los presupuestos de los proyectos también pueden generar otra limitación: los usuarios están dispuestos a aceptar una ECU más cara pero no están dispuestos a gastar tiempo y dinero para modernizar un diseño de fuente de alimentación tradicional. Para algunas nuevas plataformas de desarrollo muy costosas, los diseñadores simplemente tendrán que retocar diseños de fuentes de alimentación heredadas no optimizadas.
5. Ubicación/diseño: el diseño de la PCB y los componentes en un diseño de fuente de alimentación puede limitar el rendimiento general de la fuente de alimentación.
El diseño estructural, el diseño de la placa de circuito, la sensibilidad al ruido, los problemas de interconexión de la placa de circuito multicapa y otras limitaciones del diseño de la placa de circuito pueden limitar los diseños de fuentes de alimentación integradas de alto chip. Utilizar suministros de punto de carga para generar toda la energía necesaria también puede resultar costoso y montar muchos componentes en un solo chip no es lo ideal. Los diseñadores de fuentes de alimentación deben equilibrar el rendimiento general del sistema, las limitaciones mecánicas y el costo con los requisitos específicos del proyecto.
6. Radiación electromagnética:
La radiación electromagnética es producida por un campo eléctrico que cambia con el tiempo, y la intensidad de la radiación depende de la frecuencia y amplitud del campo eléctrico. La interferencia electromagnética generada por un circuito operativo puede afectar directamente a otro circuito. Por ejemplo, la interferencia de los canales de radio puede provocar un mal funcionamiento de las bolsas de aire y, para evitar estos efectos negativos, los fabricantes de equipos originales establecen límites máximos de radiación electromagnética para los dispositivos ECU.
Para mantener las emisiones electromagnéticas (EMI) bajo control, el tipo de convertidor CC-CC, la topología, la selección de componentes periféricos, el diseño de la placa de circuito y el blindaje son todos importantes. A lo largo de los años, los diseñadores de circuitos integrados de potencia han desarrollado varias técnicas para limitar la EMI. La sincronización de reloj externo, la banda de modulación AM superior a la frecuencia operativa, el MOSFET incorporado, la tecnología de conmutación suave, la tecnología de espectro ensanchado, etc. son todas soluciones de supresión de EMI introducidas en los últimos años.