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特斯拉汽车Model3前控制板5V供电DC-DC电路原理分析

作者: 佚名  日期:2024-03-25 08:26:30   来源: 本站整理

 前控制板5V供电由LMR14020芯片驱动输出,是一个8 脚buck降压转换电源驱动IC;各引脚的作用如下:

1#BOOT:自举升压脚,外转连接一个0.1 μF电容,电容连接BOOT和SW脚;
2#VIN:供电脚,接12V供电输入;
3#EN:开启脚, 当EN引脚为高电平时,电源IC启动工作;
4#RT:频率设定脚,通过电阻下拉接地,电阻的阻值决定工作频率;
5#FB:反馈脚,调整输出电压;
6#SS:软启动控制引脚。连接到电容以设置软启动时间。
7#GND:接地脚
8#SW:输出脚,内部接开关管D极;
LM14020是的一个DC-DC降压型电源模块,内部集成MOSFET,可以把12V电压转换为5V,最大输出电流为2A。
在前控制板中电路图如下:
特斯拉汽车Model3前控制板5V供电DC-DC电路原理分析
 
芯片的工作流程:
一、 VBAT_PROT(公共点电压)经过D19361和FB017968后给U4的2#提供12V供电;同时通过上拉电阻R017955给3#提供开启电压。
D19361作为单向开关作用,VBAT_PROT过来的时候正向导通正常给U4的2#供电,因为二极管的特性反向截止,2#的电压不能反向流向VBAT_PROT。
FB17968是一个保险电感,当后级出现短路的情况,有大电流流经FB17968,保险电感熔断,保护前级电路。
3#是芯片的开启脚,高电平开启,低电平关闭,正常芯片工作时3#电压为12V;
二、 频率设定RT、软启动SS开始工作;
RT脚外接一下电阻到GND,用来设定电源芯片的工作频率,这个电阻不能随便更换,必须原值替换。
SS脚外接一个电容到地,电容的容量确定软启动的时间,软启动电路控制输出电压斜率以防止过大的浪涌电流,保持受控的输出电压,并在电源管理 IC 启动期间避免不必要的电压过冲和压降;
三、 自举升压BOOT模块工作:供电、EN、SS、RT都正常后,芯片驱动配合BOOT脚外部电容完成自举升压。
Boot脚外转的自举电容的作用是把12V的电压升压到24V给芯片内部驱动模块供电。
芯片内部一般使用N沟道MOS管作为上下管,nMOS的导通条件简单点来说是G极电压大于S极4.5V,也就是Vgs>Vth,芯片供电为12V,同时供给上管D极,此时G极的驱动电压最高也是12V,当上管导通后就会出现Vgs之间的压差为0,MOS管截止,所以想要MOS管正常导通,就需要把G极驱动电压升高,BOOT脚的电容就是自举升压电容,能把电压升到倍压,也就是24V。
具体工作流程如下:
12V经过VIN脚到芯片内部的自举模块后从BOOT脚输出到自举电容C19374上,此时上MOS管截止,下MOS管导通,此时电流如下图所示的方向形成回路,给电容充电。
特斯拉汽车Model3前控制板5V供电DC-DC电路原理分析
 
当电容充满后,此时电容两端的电压为左12V,右0V。然后上管导通,下管截止,电流方向如下图
特斯拉汽车Model3前控制板5V供电DC-DC电路原理分析
 
12V经过上管后从SW脚经过电阻R19437加到自举电容右边,此时右边电压从0V变为12,由于电容的特性:电容两端电压不能突变,当右边电压升高12V,左边电压也会从12V升到24V,来抑制电压的突变。
    这个24V电压会经过BOOT脚加到上管的G极,使MOS管能持续导通。由于二极管的存在,24V不能反向流向VIN。
四、 芯片开始工作输出5V供电;
自举升压正常后,芯片驱动MOS管导通,完全导通后MOS管相当于一条直线,电感储能,此时流经电感的电流方向为左正右负,同时给电容充电,电容两端电压不能突变,充电时电压是慢慢上升的。
(R17441-R19440)R19439形成分压反馈接到芯片的FB引脚,FB脚接到内部接比较器的负极,比较器正极接基准电压0.75V,当输出电压为5V的时候经过电阻分压后到FB的电压也为0.75V,当输出电压大于5V,FB的电压也大于0.75V,此时比较器负大于正,输出低电平,芯片停止驱动MOS管导通。
工作过程如下图所示
特斯拉汽车Model3前控制板5V供电DC-DC电路原理分析
 
       当MOS管导通时,流经电感的电流方向为左正右负,当MOS截止时,相当于开关断开,没有电流流经电感,而电感的特性:“流经电感的电流不能发生突变“,发生突变时电感会产生反向**势来抑制电流的突变,电流方向变为左负右正。如下图所示;
特斯拉汽车Model3前控制板5V供电DC-DC电路原理分析
 
MOS截止时,由电感储存的电能继续供电,从+流向负载到地后通过二极管D19369回到负形成回路。
电感放电放到电压低于5V,FB脚的电压也会低于0.75V,此时芯片继续驱动MOS管导通,如此反复运行,通过电容滤波储能后就能得到一个稳定的5V电压。
 


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