摘要：设计一种基于LDO芯片TLE4275的24 V汽车电源模块，增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 V转5V电源。给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。

    由于24 V场合输入输出电压差大，功率要求高，现有的电源多采用Buck电路作为降压模块。然而，Buck芯片价格昂贵，加之其外围电路复杂，需要加入电感元器件又增加了材料成本。另外，Buck电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 V转5V电源采用Buck芯片作为降压电路核心，加上外围器件及提高其EMC性能的金属外壳，电源模块BOM（材料）成本在12元人民币左右（总量10 000件）。
    低压差线性稳压器LDO （Low Dropout Regulator），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〔，〕。它具有小型化、无需复杂的外围电路、电磁兼容性（EMC ）好、低成本等诸多优点，被广泛应用于需要进行12V到5V直流转换的汽车电气环境中。在24 V系统中，由于LDO的输入、输出电压差额过大，直接使用会产生大量发热导致芯片损坏。本设计对12V系统常用的TLE4275线性稳压源应用于24 V系统中，它具有用量大、采购方便、成本低、适用性强等特点，选用P-T0263-5-1封装以提高其散热能力。电路在使用LDO的基础上，通过前级降压及单片机采样监控的方法，保证LDO工作在线性区的同时不会因为前后级压差过大而损坏；电路BOM成本在3元人民币左右（总量10 000件）；是一种低成本、高适用性（电磁兼容性）的24 V转5V电源方案；可以作为车身模块、组合仪表、空调控制器或者辅助显示器的24 V转5V汽车级电源模块使用。

    1 硬件设计
    1.1设计要求及技术指标
    本设计作为24 V系统中的车身模块5V电源，为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：IS07637行业标准规定了24 V汽车电池电压的波动范围。图1即为IS07637标准给出的汽车电源转换器需要满足的临界条件。其中UB为24±0.4 V，Us为－12～16 V，Ua为－5～12V。

    2）系统散热：24 V转5V场合中，电源设计必须处理LDO前后级压差大而产生大量热耗的问题。
    3）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0.1 mA。
    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BOM成本。
    5）电磁兼容性：如今所有厂商都对汽车上的电气模块有EMC （Electro Magnetic Compatibility）的要求。相关标准有IS07637-2：2004和GB/T21437-2008等。
    结合以上几点，以及本设计中应用于24 V车身模块产品的负载需求，电源设计的主要技术指标如下：①输入直流电压范围8-27 V;②输出直流电压5 V;③最大输出负载350 mA ;④静态工作电流0.1 mA;⑤工作温度－40～85℃;⑥需要符合IS07637对电磁兼容性的相关要求。
    1.2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LDO和前级降压电路两个模块组成，通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LDO分压的目的。电源模块工作在2个模式。

    静态工作模式下，由于负载电流非常小（感0.1mA ），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LD仇此时尽管LDO前后级电压差（Udiff≈24－5=19 V）非常大，但是由于负载电流仅为0.1mA，在LDO上的功耗只有1.9 mW。
    正常模式下，单片机打开调整管，前级降压电路将LDO的输入端稳在13.6 V左右，大大降低LDO两端压差。在经过降压调整后，LDO的输入电压被降到12V系统的电压范围，这样LDO的工作条件就与在12V系统中类似。
    单片机通过两路采样监控LDO前后级电压情况，以判断电路的工作状态。电路如图3所示。

    基于LDO的电源模块本身就有非常好的EMC性能优势，相比斩波电路，无需对EMC性能做特殊处理。其中10 nF/100 V滤波电容，以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1.1 kΩ电阻起到低通PI滤波器的作用，进一步提升了电源的EMC'性能。
    调整管Q1及并联电阻R1、R2、R3、R4构成了前级降压电路，起到降低LDO输入电压的作用。单片机通过I/O输出打开Q2与Q3从而开启Q1并在其c-e极产生压降；最后通过稳压二极管D2的作用，将LDO输入端一的电压稳定在13.6 V左右。前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LDO提供了可控的降压模块，使电路在24 V环境中仍然有很好的温度特性。
    R6与Q2构成负反馈环节，R7上的电流来自Q2发射极及R6两端压降产生的电流；当LDO负载增大时，R6两端压差变小，Q2管发射极电流增大，以补偿R6电流的下降；Q2管的发射极电流的增量被Q1管放大而造成Q1的c-e电流上升，由此完成负反馈作用。负反馈环节在电源负载突变时，通过Q1与Q2的放大作用，补偿LDO输入端在负载升高时产生的电压下降，以提高LDO的带载能力。

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