汽车行业使用LDO直接连接电池的应用

汽车行业使用LDO直接连接电池的应用

Tips：参考TI官网

这里有比较全面的LDO基础知识
1.简介
2.线性电压调节器
3.可调节输出电压
4.汽车电池电压特性
5.直流参数
6.功能说明
7.保护
8.应用选择
9.结温和热考虑

1.简介

在汽车领域，LDO能提供良好的电压纹波抑制和电磁兼容性（EMC）性能，特别是与DC/DC转换器相比。

虽然电池系统或功率调节器都可以提供LDO，但对电池直接连接LDO的要求更为严格：它必须通过国际标准化组织7637（ISO 7637）标准。在操作期间，LDO通过板载系统中的电路板（PCB）跟踪或通过板外系统中的电缆为目标负载供电。对于车载系统，LDO必须保护自己免受不同类型的潜在电缆故障。

本文档描述了汽车应用环境中的各种LDO规范，重点是电池定向连接和驱动一个非车载负载系统。

2.线性电压调节器

LDO在电子设计领域中扮演着重要的角色，对于在恶劣环境中运行的系统至关重要。在今天的汽车设计中，通常是一个12V的电池为该系统提供动力。虽然系统运行需要一个稳定的低电压电源，但不断变化的负载条件和其他环境因素会导致12V电源的变化。这是一个汽车电池直接连接的LDO，将一个苛刻的高压电源转换为一个稳定的低电压输出。
根据其结构，大多数LDO输出被设置为3.3 V或5V，或者它们是可配置的。

与DC/DC转换器相比，线性调压器易于使用；一个输出电容器保证了装置的稳定性。同时，通过电磁兼容测试并不困难，因为线性电压调节器的拓扑结构不会产生任何开关噪声。因此，LDOs是汽车应用中最流行的电子电源。

LDO的内部拓扑结构如图所示：

LDO是一种由信号采样电路、信号处理电路、功率控制电路组成的负反馈控制系统。

电阻分压器对输出电压进行采样，然后将其与精确的内参考电压进行比较。这两个信号之间的差值表示输出电压从目标值开始的变化。系统使用这种差异来控制传递元件，通常是一个低RDS（on）场效应晶体管（FET），从而控制输出值。

3.可调节输出电压

当反馈（FB）引脚存在时，线性调压器的输出电压可通过使用外部电阻分压器进行调节。
输出电压公式：

让我们以TPS7B6701-Q1的外部电阻的选择为例。该装置的内参电压为1.233 V，为了将输出电压设置为5V，首先根据公式2计算反馈电阻分压器比：

为了平衡静止电流和抗干扰的能力，请考虑10-100 kΩ的电阻。在这种情况下，您可以选择两个电阻器来实现一个5-V的输出电压： R1 = 55 kΩ和R2 = 18 kΩ。

4.汽车电池电压特性

今天的汽车使用12V电池，而卡车和重型车辆使用24V电池。在实际应用中，由发动机驱动的交流发电机会为电池充电。如果电池由于电缆腐蚀、连接不良或故意与发动机运行时断开而断开，则可能会发生抛负载事件。

根据ISO 7637-2标准测试脉冲5a，电池的最大瞬态电压在12V系统中可高达99 V，在24V系统中可高达198 V，持续时间约为数百毫秒。详见图4和表1（来自ISO 7637-2-2004标准）。

在大多数新的方案设计中，增加一个TVS二极管。放置在PCB上的LDO的输入端之前如图所示。

在本例中，如图所示LDO输入处的实际电压。用户指定被抑制的电压（Ua + 0.1 Us + Us*）。在12-V系统中，电池电压通常固定在40 V以下。

5.直流参数

（1）静态电流
静止电流是输入电流和输出电流之间的电流差。换句话说，它是LDO本身所消耗的电流。静止电流对于稳压器等永远开机的应用至关重要。在关机状态下，稳压器仍在待机模式下工作，并消耗电池能量。因此，较低的静态电流会导致更长的电池续航时间。

双极性和BCD（代表双极/互补金属氧化物半导体[CMOS]/双扩散金属氧化物半导体[DMOS]）技术是两种常见的LDO拓扑结构。但是采用双极拓扑结构很难实现低静态电流。
如图所示一个PNP晶体管LDO拓扑示例。有一些电流进入晶体管的底部，造成能量损失。
NPN晶体管LDO需要一个电荷泵，这将导致额外的静态电流。

对于具有BCD拓扑结构的LDO，基极漏电流不存在，因为MOSFET是一个压控设备。没有电流进入门级，因此，静止电流可以低得多。如图所示是一个PMOS结构的LDO的一个示例。

（2）输入输出电压差
在正常的LDO工作条件下，输入电压需要高于输出电压才能达到最小值。此增量值定义为电压差电压。在这种模式下，LDO的功率场效应晶体管在一个线性区域内工作。公式3计算输出电压：

在汽车应用中，当电池电压降至6V时，输入输出电压差非常重要。为了保持5V输出至微片机（单片机），如图所示，LDO输入加上反向阻塞二极管的正向电压需要小于1V。

TI的高压LDO组合中，有许多类似器件。例如，TPS7B6750-Q1在室温下的450-mA负载下的输入输出电压差只有280 mV。为了保证在450mA负载下5v的稳定输出电压，输入电压需要高于5.28 V。在这样低的输出电压下，设备可以在更宽的输入电压下工作。

（3）温度范围
对于包含LDO的汽车设备，数据表通常指定一个工作环境温度范围。根据汽车电子产品协会（AEC）Q-100标准，适用四个等级（0、1、2和3）（表2）。

0年级是最高的等级。本等级设计的设备可以在150°C的环境温度下工作。0级设备经常用于非常恶劣的汽车环境中，如动力传动系系统。

1级设备是汽车系统中最常见的设备级。

2级设备的设计旨在满足一些通常不是安全关键的系统要求，如信息娱乐。

3级在汽车应用中不受欢迎，因为无人居住汽车的环境温度往往高于85ºC。

6.功能说明

（1）功率良好
为了确保正确的系统行为，必须在发生任何进一步操作之前准备好单片机电源电压。这一要求驱动单片机的LDO具有良好的输出功率能力。

（2）输出电压欠压复位
输出电压欠压复位（OVUVR）是LDO的自检功能。系统必须确认单片机供电正确，以避免不正确的逻辑。LDO通过使用OVUVR来执行此供应检查。

如图所示，LDO会持续监控其输出。一旦输出电压低于内部阈值，LDO就会自动开始检查根本原因。在消除了系统噪声的可能性之后——这是通过一个分离时间滤波器来确认的——LDO对单片机进行复位操作。

（3）复位电源延迟
微控制器的逻辑依赖于适当的电源电压和准确的定时参考。LDO通过电源复位功能确保定时功能。
在大多数情况下，单片机的定时参考来自于一个晶体振荡器。一旦通电，单片机需要1到10 ms才能达到稳定，并产生一个准确的定时时钟。在振荡器稳定的过程中，MCU必须保持在复位状态。

现在的LDOs提供了一个电源复位延迟功能。如图所示详细说明了这个过程的逻辑流程。LDO首先为系统提供一个稳定的输出电压，只有在预先设定的延迟后才关闭电源良好信号。这个功能可以帮助先启动单片机的内部振荡器，然后再完全启用单片机。

（4）复位延迟时间
调整电源复位延迟时间需要一个额外的延迟引脚。延迟引脚上的外部电容器设置计时器延迟。恒定输出电流ICHG对外部电容器CDELAY充电，直到延迟引脚处的电压超过阈值VTH，以触发内部比较器。

电源复位延迟时间tPOR由延迟插脚上CDELAY的充电时间定义：

让我们来探讨如何设置电源复位时的延迟时间。假设LDO具有表3所示的通电复位参数。

在延迟端连接100nF电容器，计算复位延迟时间为：

（5）看门狗定时器
看门狗计时器是人类不能持续观察以安全为优先级设计的系统中一个重要的功能。看门器计时器功能监控单片机的行为，并验证其正确的操作。在图1中，一个LDO向单片机提供看门狗服务。
在正常情况下，单片机定期提供看门狗定时器。如果没有预期的服务存在，则单片机处于异常状态。在这种情况下，看门器定时器将单片机重置为已知状态，并强制执行一个新的逻辑序列。

单片机可能会被困在发射频率高于其正常状态的脉冲的常规过程中。标准的看门狗不能检测到这个潜在的错误，并将信号解释为有效的。

为了解决这个问题，一个更高级的看门狗，称为窗口看门狗计时器，监测最小和最大脉冲周期。如果在某一时间范围内没有发生看门狗脉冲，则窗口看门狗将重置单片机。

（6）使能功能
效率是一个电池驱动的应用程序的关键问题，包括一个汽车电池-直接连接LDO。在非运行模式下，系统模块通常会将其功耗降低到一个极低的水平。减少来自于各个方面。应用逻辑低至启用（EN）引脚可实现LDO功率节约，如图所示。当系统需要通电时，它可以通过对EN针脚应用逻辑来唤醒LDO。

（7）预警
在关闭电源之前，系统必须采取行动，将关键信息存储到电动可擦除的可编程只读存储器（EEPROM）中。通常，单片机控制关机顺序，它有足够的时间遵循正确的顺序。但在某些情况下，一种外力会导致断电。在这些情况下，LDO必须向单片机发送即将到来的功率下降的早期预警，从而给单片机以时间来存储数据。图显示了一个具有早期预警功能的典型LDO应用程序的示例。

早期预警功能通过比较分法输入电压和内部参考电压来监测输入电压。图显示了当SI引脚处的电压低于感觉低阈值时的早期预警功能。感测输出引脚产生主动低信号。当SI引脚处的电压超过感知高阈值时，感知输出引脚产生主动高信号。

要设置阈值电压以触发早期预警，可以使用公式计算外部电阻分频器比：

7.保护

（1）电流限制和热停机

在汽车应用中，安全和可靠性始终是首要任务。LDO在故障状态下保护自己是很重要的。最有可能的系统故障是输出短路到GND，这可能是由连接器短路或焊料问题引起的。为了防止输出短至GND造成LDO损坏，需要进行电流限制和热停机保护。

如图显示了具有电流极限和热停机保护的LDO的典型方框图。一个闭环实现了电流限制，并将调节器的输出电流与内部电流参考进行了比较。当输出电流超过电流限制时，PMOS栅极和源Vgs之间的电压差被夹在一定水平，限制了通过通元件的电流。

接地短路会触发电流限制。由于电压降和电流大，调节器上的热量积累高，结温度升高，很可能损坏设备——这就是热关闭保护是至关重要的原因。当连接温度高于热关闭阈值时，该设备将关闭，这对于汽车一级设备通常为175ºC。虽然这是一个典型的值，但不同的设备可能有不同的触发点。该设备在冷却后自动重新启动，其典型的滞后现象为15º。

（2）反极性

有几种可能的情况可能会导致反极性的情况：

当输出电压较高时，输入电压就会升高。
当输入打开，同时施加正输出电压。
当输入电压为负时，而输出的路径为GND。

如图所示是反向极性的例子；电流可能流入调节器的GND引脚或输出引脚。根据不同元件和器件结构，需要不同类型的保护。

MOS管电压调节

带有单一MOSFET晶体管通元件（n通道MOS和p通道MOS）的LDOs不提供反向极性保护，如图所示。在反极性条件下，反向电流可以流过通元件的本体二极管。反向电流不受限制，并有可能导致设备损坏。因此，在设备输入处需要一个串联二极管。在正常运行期间，考虑串联二极管的压降，最好是具有低正向电压的肖特基二极管。

PNP电压调节器

负电源电压可施加于具有PNP通晶体管的调节器。PNP晶体管在反向极性条件下限制反向电流；因此，在输入端不需要一个反向保护二极管。如图显示了TLE4275-Q1的内部方框图，其通位元件采用PNP双极结构设计。

背靠背的MOSFET电压调压器

反向极性保护对于线性调压器（跟踪LDOs，天线LDOs）是必须的，这是专门用于非车载负载电源。一根长电缆连接调节器输出和非车载负载。在恶劣的汽车环境中，电缆很有可能会破裂，甚至对电池短路。在这种情况下，如果调节器输入连接到低于电池电压的电压导轨（例如，降压转换器输出），则会发生反向极性。

具有背靠背MOSFET拓扑的电压调节器检测反向极性条件下的输出电压。如果输出电压高于输入电压，两个mOSFET都将立即关闭。PMOS的体二极管靠近调节器的输入，从而阻止反向电流。图显示了这种类型的LDO的内部方框图。

感性负载钳位
感性负载钳位保护对为感性负载供电至关重要。例如，带有电感-电容（LC）滤波器的天线LDO连接到输出，或者，如果用长电缆跟踪LDO，则寄生电感连接到输出。

当给线性电压调节器断电时，如果负载是感性的，输出上会出现一个负电压，因为电感器会反对电流的变化。图2显示了断电时LC振荡的一个典型例子。如果负电压超过调节器输出引脚的绝对最小电压（例如，-0.3V），则可能会发生损坏。

在线性电压调节器的输出和GND之间添加一个二极管，可以将负电压夹持到一定的电压（例如，-0.3V）。

8.应用选择

（1）电容

汽车系统通常使用三种类型的电容器：
1。陶瓷-具有较小的封装和较低的静电电阻（ESR）（约几十毫欧姆）；然而，它不能提供一个大的电容值或承受一个高的工作电压。
2.铝电解-提供大的电容值和承受高工作电压，但ESR性能差。当温度下降时，ESR可能会上升到10 Ω以上。
3.钽——其ESR特性在其使用寿命中既稳定又准确，但它成本最高。

输入电容

在一个12V的汽车系统中，电力轨道上的电压可以飙升到相当大的水平。根据施加的瞬态电压（TVS）二极管，异常电压通常夹在40 V以下。电容的额定电压选择 。

一些汽车系统需要满足冷启动条件测试的要求，才能在低输入电压应力下生存一段时间。在这种情况下，一个大的输入电容器帮助吸收和存储能量。一种铝电解电容器具有高电压范围和大电容。其较差的等效串联电阻（ESR）性能不成为一个关注，因为输入电容对LDO的环路响应没有影响。

输出电容

如前所述，LDO是一个负反馈系统。它需要正确地处理极点和零来创建一个稳定的系统。输出电容器与其电容和ESR形成一个零，如图所示。

如图是LDO系统的典型博德图。对于输出电容器的适当的ESR值，在带宽中存在两个极点和一个零点，创建一个稳定的系统。

如果输出电容器的ESR太大，零向较低的频率移动，在LDO的带宽中出现三个极点，这可能导致振荡，如图所示。
如果输出电容器ESR太小，则零向超过LDO带宽的更高的频率移动，如图所示。在这种情况下，也会振荡。

在一个汽车系统中，一些应用程序需要一个特定的电容器。支持广泛的ESR范围的能力已经成为LDO设计和选择的一个重要考虑因素。如图所示在选择正确的输出电容器时，一个LDO的稳定区域，ESR在1 mΩ-20Ω之间，电容在10µF~500µF之间。

（2）负载的瞬态响应

负载瞬态响应描述了LDO输出在较大的负载-电流变化期间的行为，这在汽车系统中很常见。例如，单片机可能会被调节器输出的巨大超调损坏，而一个大的超调可能会导致错误的逻辑。负载瞬态响应可能会影响控制精度，特别是在模数转换器（ADC）使用LDO输出作为参考的情况下。

为了获得良好的负载瞬态性能，一种常用的方法是增加线性调节器回路的带宽。一旦当前步骤发生，循环在一定时间后响应Δt，它与循环带宽f成正比。公式7表达了这种逻辑：

如前一节所述，一个更宽的输出电容器ESR稳定范围的LDO允许更容易地选择电容器。同时，更宽的范围会导致零位置的变化更大，这使稳定一个宽带回路变得困难。一种解决方案是在调节器系统中实现一个快速闭环，如图所示：

输出电压的变化直接反应到MOSFET门极。该方法具有良好的瞬态性能和较宽的电容ESR值容差。

图展示了一个经典的快速循环实现LDO的47µF低ESR陶瓷电容的瞬态性能。施加于调节器的负载电流（红色轨迹）的步进变化会使LDO输出（浅绿色轨迹）降至180 mV。60µs后，LDO开始恢复，最终达到稳定的输出，没有任何超调。

图显示了上述快速环集成设备在200ma负载下的Bode图。TR1是以分贝为单位的增益，TR2是以度为单位的相位。TR1显示的带宽为1.627 kHz。如果没有快速循环，环路响应时间应该大约为615µs。由于有了一个快速循环的贡献，响应时间下降到只有60µs。

快速回路LDO实现了良好的瞬态性能和宽输出电容ESR稳定范围（0.001 Ω到20 Ω）。

9.结温和热考虑

大多数LDOs指定一个最高结温度，以确保正常工作状态。超过此限制可能会影响调节器的可靠性。这个限制也限制了调节器的功率耗散。为确保结温度在可接受的范围内，功耗必须低于允许的最大值，使用公式8计算：

对于TI标准数据表，θJA值通常使用JEDEC固态技术组织JESD51 2s2p PCB进行仿真。图37显示了JESD51 2s2p PCB层。

假设表4显示了LDO芯片的热阻。如果应用条件为TA=85°C，则可以使用公式9以SOT-223包为例计算最大功耗：

使用JESD51 2s2p板，该LDO的功耗需要小于1.01 W，以确保其结温度低于150°C。

如图所示一个具有完整的通用功能的LDO，包括启用、功率良好、可调输出电压、早期预警和看门狗定时器。

按照封装列出来的热排序