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對于電源系統設計人員來說,電路密度的提高既是挑戰也是機會。多數汽車電子模塊要求低壓供電,如5V、3.3V。如果通過線性降壓方案將電池電壓轉換成所需電壓,會消耗過多的能量。 
 
過多的功率耗散則會提高溫度管理系統的設計難度和成本,隨著處理器和ASIC工作速度的提升,需要消耗更大功率,這就要求使用結構復雜的高效開關轉換器取代簡單的低成本、低效率線性電源。
開關轉換器的優勢  
 
工作在高開關頻率的電源允許選用小尺寸有源元件,如電感、電容,由此可見,開關電路的尺寸取決于電源工作頻率。一個高效轉換器不僅能夠降低功耗,還可以節省空間和昂貴的散熱器。因此,使用開關轉換器可以使電源模塊的總尺寸減小??紤]到這些優點,開關轉換器成為車身控制、信息系統、引擎控制電路的理想電源管理方案。
 
開關轉換器的選擇  
 
開關頻率對于開關轉換器設計非常重要,因為開關電源的很多問題都與工作頻率有關。開關頻率和它的高次諧波會對其他電路產生電磁干擾,例如,一個調幅收音機對于530kHz"1,710kHz的干擾非常敏感。開關頻率超過1,710kHz時才能消除基波和高次諧波的干擾。測試數據顯示,中等電壓、高頻處理器配合簡單的保護電路,正如Maxim產品所采用的架構,可以提供完美的汽車電源管理方案。所以,設計人員不需要高壓控制方案即可設計合理的開關轉換器。
  
隨著開關頻率的增加,電路的能量損耗會增大,這在一定程度上削弱了高頻工作的優勢。因為開關的損耗與工作電壓的平方成正比,在高輸入電壓下開關損耗會更高。典型的汽車電源管理IC需要支持較高電壓(40V或更高),以承受甩負載和瞬態過壓。處理高壓則需較大的芯片尺寸和較厚的柵極,對應的溝道尺寸較長,造成較長的傳輸延時。這樣,固有的低速處理過程也降低了轉換效率,因為開關切換時較長的上升/下降時間會引起較大的開關損耗。  
Maxim采用先進的處理工藝提高了轉換器的開關效率,為中等電壓提供出色的高速轉換設計方案。以MAX5073為例,它有2路工作在2.2MHz開關頻率的升/降壓轉換控制器,支持23V輸入。轉換器異相工作使其能夠工作在4.4MHz頻率下,并保持較高的轉換效率。  
 
假設開關轉換器能夠抑制電源干擾,需要考慮的另一個問題是:汽車應用是否真的需要高壓工作IC下面我們通過討論汽車電源的干擾以及對低壓電路的保護措施回答上述問題。  
 
 
電源的過壓條件  
 
過壓保護(OV)器件能夠隔離汽車電子系統中連線(通常連接到主電源)所產生的高壓傳導,有效保護電子電路。對傳導干擾的承受能力稱為傳導抑制。  
 
汽車制造商和標準組織定義了各種測試方法來評估電路的傳導抑制,汽車OEM廠商的要求大多出自ISO7637標準。以下歸納了與汽車電子應用相關的過壓保護問題,但并未全面概括所有與傳導干擾相關的細節。
穩態過壓保護  
 
持續時間較長的過壓條件被看作穩態過壓,例如,過壓持續時間超過了對應器件的熱時間常數。這種情況下,連續的功率耗散引起溫度快速上升成為首要問題,穩態過壓通常包括以下幾種情況:失效的交流電機調節器、雙電池突發啟動或和電池反接,以下是各項詳細說明。  
 
1. 失效交流電機調節  
 
調節交流電機的輸出,通過控制勵磁繞組的電流幅度調整速度、負荷及溫度。調節過程通常由電路(電壓調節器)完成,利用脈寬調制(PWM)電機的勵磁繞組保持穩定的電機輸出。電壓調節器的典型輸出設置為13.5V。然而,電壓調節器會出現失效,無論負載或輸出電壓處于何種條件,都將作用一個滿量程勵磁電流。  
 
發生失效時,整個系統都要承受高于13.5V(實際電壓取決于汽車速度、負荷極其他條件)的電壓,典型的調節器失效OEM測試要求是在18V持續一個小時。大部分系統要求符合這個測試條件,雖然有些舒適度和便利功能允許在這種情況下偏離其正常工作狀態。  
對于電源系統設計人員來說,電路密度的提高既是挑戰也是機會。多數汽車電子模塊要求低壓供電,如5V、3.3V。如果通過線性降壓方案將電池電壓轉換成所需電壓,會消耗過多的能量。 
 
過多的功率耗散則會提高溫度管理系統的設計難度和成本,隨著處理器和ASIC工作速度的提升,需要消耗更大功率,這就要求使用結構復雜的高效開關轉換器取代簡單的低成本、低效率線性電源。  
 
開關轉換器的優勢  
 
工作在高開關頻率的電源允許選用小尺寸有源元件,如電感、電容,由此可見,開關電路的尺寸取決于電源工作頻率。一個高效轉換器不僅能夠降低功耗,還可以節省空間和昂貴的散熱器。因此,使用開關轉換器可以使電源模塊的總尺寸減小??紤]到這些優點,開關轉換器成為車身控制、信息系統、引擎控制電路的理想電源管理方案。  
 
 
  
開關轉換器的選擇  
 
開關頻率對于開關轉換器設計非常重要,因為開關電源的很多問題都與工作頻率有關。開關頻率和它的高次諧波會對其他電路產生電磁干擾,例如,一個調幅收音機對于530kHz"1,710kHz的干擾非常敏感。開關頻率超過1,710kHz時才能消除基波和高次諧波的干擾。測試數據顯示,中等電壓、高頻處理器配合簡單的保護電路,正如Maxim產品所采用的架構,可以提供完美的汽車電源管理方案。所以,設計人員不需要高壓控制方案即可設計合理的開關轉換器。
  
隨著開關頻率的增加,電路的能量損耗會增大,這在一定程度上削弱了高頻工作的優勢。因為開關的損耗與工作電壓的平方成正比,在高輸入電壓下開關損耗會更高。典型的汽車電源管理IC需要支持較高電壓(40V或更高),以承受甩負載和瞬態過壓。處理高壓則需較大的芯片尺寸和較厚的柵極,對應的溝道尺寸較長,造成較長的傳輸延時。這樣,固有的低速處理過程也降低了轉換效率,因為開關切換時較長的上升/下降時間會引起較大的開關損耗。  
 
Maxim采用先進的處理工藝提高了轉換器的開關效率,為中等電壓提供出色的高速轉換設計方案。以MAX5073為例,它有2路工作在2.2MHz開關頻率的升/降壓轉換控制器,支持23V輸入。轉換器異相工作使其能夠工作在4.4MHz頻率下,并保持較高的轉換效率。  
 
假設開關轉換器能夠抑制電源干擾,需要考慮的另一個問題是:汽車應用是否真的需要高壓工作IC下面我們通過討論汽車電源的干擾以及對低壓電路的保護措施回答上述問題。  
 
電源的過壓條件  
 
過壓保護(OV)器件能夠隔離汽車電子系統中連線(通常連接到主電源)所產生的高壓傳導,有效保護電子電路。對傳導干擾的承受能力稱為傳導抑制。  
 
汽車制造商和標準組織定義了各種測試方法來評估電路的傳導抑制,汽車OEM廠商的要求大多出自ISO7637標準。以下歸納了與汽車電子應用相關的過壓保護問題,但并未全面概括所有與傳導干擾相關的細節。  
 
 
穩態過壓保護  
 
持續時間較長的過壓條件被看作穩態過壓,例如,過壓持續時間超過了對應器件的熱時間常數。這種情況下,連續的功率耗散引起溫度快速上升成為首要問題,穩態過壓通常包括以下幾種情況:失效的交流電機調節器、雙電池突發啟動或和電池反接,以下是各項詳細說明。  
 
1. 失效交流電機調節  
 
調節交流電機的輸出,通過控制勵磁繞組的電流幅度調整速度、負荷及溫度。調節過程通常由電路(電壓調節器)完成,利用脈寬調制(PWM)電機的勵磁繞組保持穩定的電機輸出。電壓調節器的典型輸出設置為13.5V。然而,電壓調節器會出現失效,無論負載或輸出電壓處于何種條件,都將作用一個滿量程勵磁電流。  
 
發生失效時,整個系統都要承受高于13.5V(實際電壓取決于汽車速度、負荷極其他條件)的電壓,典型的調節器失效OEM測試要求是在18V持續一個小時。大部分系統要求符合這個測試條件,雖然有些舒適度和便利功能允許在這種情況下偏離其正常工作狀態。  
 
2. 雙電池突發啟動  
 
這是另外一種穩態過壓條件,一般發生在拖車或維修人員使用24V電原發動不工作的汽車,或對完全放電的電池進行充電的情況下,對于這種情況,典型的OEM測試要求是在24V下持續2分鐘。有些與安全、引擎管理相關的系統需要保證在這種條件下能夠工作。  
 
3. 電池反接 
 
在生產和維修過程中可能會出現電池反接情況,這時,要求大多數系統可以不工作,但一定要保證不會損壞。典型測試要求是在-14V下持續一分鐘,這個測試對系統來說是個挑戰,因為需要大電流或低壓降。
 
對于電源系統設計人員來說,電路密度的提高既是挑戰也是機會。多數汽車電子模塊要求低壓供電,如5V、3.3V。如果通過線性降壓方案將電池電壓轉換成所需電壓,會消耗過多的能量。 
 
過多的功率耗散則會提高溫度管理系統的設計難度和成本,隨著處理器和ASIC工作速度的提升,需要消耗更大功率,這就要求使用結構復雜的高效開關轉換器取代簡單的低成本、低效率線性電源。  
 
開關轉換器的優勢  
 
工作在高開關頻率的電源允許選用小尺寸有源元件,如電感、電容,由此可見,開關電路的尺寸取決于電源工作頻率。一個高效轉換器不僅能夠降低功耗,還可以節省空間和昂貴的散熱器。因此,使用開關轉換器可以使電源模塊的總尺寸減小??紤]到這些優點,開關轉換器成為車身控制、信息系統、引擎控制電路的理想電源管理方案。
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