蔡炎平，崔曉偉，李家祥

(1.清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084；2.廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司)

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多媒體車載終端電源系統(tǒng)的功耗管理設(shè)計(jì)※

蔡炎平1,2，崔曉偉1，李家祥2

(1.清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084；2.廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司)

摘要:設(shè)計(jì)了一款穩(wěn)定、高效的多媒體車載終端的電源系統(tǒng)。通過分析多媒體車載終端的功能模塊供電系統(tǒng)，提出系統(tǒng)電源架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊的電源分配與管理。針對(duì)車載終端的惡劣工作環(huán)境，設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)和抗干擾措施。對(duì)電源系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行了器件選型和電路設(shè)計(jì)，并提出了系統(tǒng)功耗管理和省電流程實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞:車載終端；電源管理；電源系統(tǒng)

引言

作為系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，電源設(shè)計(jì)已經(jīng)成為影響車載終端穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。本文提出一種電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為多媒體車載終端提供穩(wěn)定、可靠、可管理的供電電源。

1電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

多媒體車載終端一般包含以下幾個(gè)必備模塊：處理器最小單元、音頻功放、收音機(jī)模塊、視頻采集模塊、導(dǎo)航模塊、顯示模塊、SD卡/U盤存儲(chǔ)模塊等。另外，有些多媒體終端還會(huì)有藍(lán)牙模塊、WiFi模塊以及3G上網(wǎng)模塊等。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源之前，需要對(duì)各個(gè)模塊的供電需求進(jìn)行分析，具體如下：

① 處理器最小單元： 5 V電源通過電源管理芯片轉(zhuǎn)換成3.3/2.5/1.8/1.5/1.2 V等供電，總電流為1~2 A。

② 音頻功放：汽車電瓶經(jīng)過抗干擾處理后直接供電，電流較大，最大達(dá)24 V/2.5 A以上(接4個(gè)汽車功放)。

③ 收音機(jī)模塊：根據(jù)采用的收音機(jī)芯片不同，有所差別，本文采用8.5 V供電，電流為100~200 mA。

④ 視頻采集模塊：攝像頭供電電壓為12 V，電流為200 mA；視頻A/D采集供電電壓為3.3 V，電流為40 mA。

⑤ 導(dǎo)航模塊：采用3.3 V供電，加上導(dǎo)航天線，電流小于80 mA。

⑥ SD卡/USB：SD卡采用3.3 V供電，電流小于50 mA；USB需要能給手機(jī)充電，電流為1~2 A。

⑦ 顯示模塊：7寸TFT屏有3.3/4/10.4/16/7 V供電及背光電源，總功耗小于2 W。

⑧ 其他模塊：藍(lán)牙模塊和WiFi模塊均采用3.3 V供電，電流分別小于60 mA及300 mA，3G上網(wǎng)模塊一般采用4 V供電，電流小于1.5 A。

通過以上各個(gè)模塊的分析，電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。汽車的電氣設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量電磁干擾，這些干擾的頻帶很寬，通過傳導(dǎo)、耦合或者輻射的方式傳播到電源系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)而會(huì)影響到電子設(shè)備的正常工作[1]。因此，需要采取一些抗干擾措施，防止電源系統(tǒng)由于干擾而導(dǎo)致不穩(wěn)定或者無(wú)法運(yùn)行。汽車電瓶輸入到車載終端后，經(jīng)過防反接、浪涌保護(hù)、抗輻射/傳導(dǎo)濾波后，再通過各種電源轉(zhuǎn)換輸出到各個(gè)工作模塊。為了便于系統(tǒng)對(duì)各個(gè)模塊的供電電源進(jìn)行管理，轉(zhuǎn)換后的電源在提供給負(fù)載供電之前均增加了開關(guān)控制。

圖1　電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2具體電源電路設(shè)計(jì)

2.1抗干擾電路

車上有點(diǎn)火系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)及較多的感性開關(guān)負(fù)載，因

此汽車電源存在瞬態(tài)浪涌、脈沖群、電壓跌落等多種干擾，多媒體電源接口電路需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的抗干擾措施。圖2為電源接口電路圖，包括了防反接電路、濾波電路、浪涌保護(hù)電路和電源管理控制電路。

防反接電路采用兩個(gè)大功率二極管ER506，正向電流可達(dá)10 A，抗反向電壓為600 V。當(dāng)設(shè)備的正負(fù)極連接正常時(shí)，電源才會(huì)輸入到車載終端；如果反接，二極管截止，設(shè)備不供電，從而保護(hù)了多媒體終端和汽車電瓶。電源濾波電路包括共模濾波和差模濾波。電容C1~C4、共模電感F1構(gòu)成共模濾波電路，有效抑制高頻共模噪聲，提高電源抗電磁干擾能力，同時(shí)抑制多媒體設(shè)備對(duì)外輻射干擾。電感L1與電容C5構(gòu)成了差模濾波，能夠進(jìn)一步提高后端電源的純凈度，同時(shí)C5采用2 200 μF電容，有較大容量的儲(chǔ)能，對(duì)于電壓跌落有很好的緩沖作用。浪涌保護(hù)電路有兩部分進(jìn)行雙重保護(hù)：一重保護(hù)為由R2/R5/Q3構(gòu)成的高壓關(guān)斷電路，當(dāng)輸入電源大于40 V時(shí)，MOS管Q1關(guān)斷，電源停止向內(nèi)部供電；另一重保護(hù)是D3為TVS管，當(dāng)有大電壓經(jīng)過時(shí)，TVS會(huì)動(dòng)作，后端電壓將被限制在TVS兩端的箝制電壓36 V。電源管理控制電路由ACC點(diǎn)火信號(hào)和CPU處理器聯(lián)合控制，只有檢測(cè)到至少一個(gè)控制信號(hào)有效時(shí)，MOS管Q1才會(huì)導(dǎo)通，電源提供給后端供電。

圖2　電源接口電路

2.2DC-DC電源和LDO電源轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)過抗干擾處理后的汽車電瓶，并不能直接給設(shè)備里面各個(gè)模塊供電，均需要經(jīng)過相應(yīng)的轉(zhuǎn)化。一般可以采取兩種方式：一種是DC-DC轉(zhuǎn)換，主要是根據(jù)負(fù)載反饋調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，在電感器和電容器的協(xié)調(diào)下，輸出穩(wěn)定電壓；另一種是LDO轉(zhuǎn)換，使用在其線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的晶體管或 FET，從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓[2]。DC-DC具有效率高、輸出電流大、靜態(tài)電流小等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是輸出紋波較大，電路占用空間較大，對(duì)于收音機(jī)及設(shè)備其他模塊會(huì)產(chǎn)生EMI干擾。LDO轉(zhuǎn)換器電路簡(jiǎn)單、成本較低、輸出紋波較小，適用于低壓差的場(chǎng)合，在高壓差情況下會(huì)導(dǎo)致芯片功耗較大而發(fā)燙。因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮壓差、功耗、電路空間及效率。

根據(jù)電源系統(tǒng)的供電情況，針對(duì)5 V轉(zhuǎn)換及12 V轉(zhuǎn)換采用DC-DC轉(zhuǎn)換電路，針對(duì)3.3/4.2/8.5 V轉(zhuǎn)換采用LDO轉(zhuǎn)換電路。圖3所示為5 V轉(zhuǎn)換電路，DC-DC芯片采用MP1584，輸入電壓范圍為4.5~36 V，提供的負(fù)載電流可達(dá)3.5 A，開關(guān)頻率可配置在100 kHz~1.5 MHz。芯片的引腳2為使能引腳，可以直接拉高有效或者由CPU控制。C9~C13構(gòu)成輸入輸出電源濾波電路，二極管D5與電感L2構(gòu)成異步開關(guān)工作電路。芯片的開關(guān)頻率選擇由引腳6的下拉電阻決定，電路中R16/Q5/R13/R15構(gòu)成了下拉電阻選擇電路，可以選擇電路工作的開關(guān)頻率，防止收音機(jī)受到DC-DC開關(guān)頻率的干擾，提高收音機(jī)性能。

圖3　DC-DC轉(zhuǎn)換電路

對(duì)于輸出電源的配置，由式(1)來(lái)確定。

VCC_OUT=VFB×(R10+R12)/R12

(1)

其中，VFB為芯片的負(fù)載反饋到芯片引腳4的電壓，為0.8 V。當(dāng)輸出電壓為5 V時(shí)，電阻設(shè)置為R12=6.8 kΩ,R10=36 kΩ；當(dāng)輸出電壓為12 V時(shí)，電阻設(shè)置為R12=2.4 kΩ,R10=36 kΩ。其中，R10和R12均為1%的精密電阻，提高了電壓精確度。

由于LDO和DC-DC均有電源使能引腳，可以通過控制使能引腳來(lái)控制是否給外設(shè)供電。對(duì)于共用同一個(gè)電源的不同外設(shè)，則可以通過MOS管開關(guān)電路來(lái)控制給外設(shè)的供電。

2.3處理器PMIC電源電路

PMIC[3](Power Management IC)是一種針對(duì)高集成度處理器的電源管理芯片，適用于多種類別電源供電的系統(tǒng)。PMIC集成了LDO和DC-DC，包括了多種類型信號(hào)，并且外圍電路器件較少，不僅提高了電源轉(zhuǎn)換效率，而且實(shí)現(xiàn)了更低功耗。PMIC采用TI公司的TPS659102，該芯片提供3路DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，1路DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器及8路LDO。如圖4所示為處理器的PMIC電源框圖，其中VDD1及VDD2為兩路DC-DC轉(zhuǎn)換，提供給內(nèi)核供電，具有動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能，當(dāng)處理器的運(yùn)行頻率改變時(shí)，這兩個(gè)內(nèi)核電壓可以自動(dòng)調(diào)節(jié)大小從而降低系統(tǒng)功耗。其他的DC-DC及LDO輸出1.3 V、3.3 V等電壓提供給USB外設(shè)、LCD屏接口、通用接口等使用。給TPS659102供電5 V，管理芯片按照規(guī)定的時(shí)序給處理器上電，處理器啟動(dòng)后，通過I2C接口對(duì)PMIC進(jìn)行各個(gè)外設(shè)電源的調(diào)節(jié)和控制，根據(jù)運(yùn)行的頻率調(diào)節(jié)相應(yīng)的輸出電壓，從而降低系統(tǒng)功耗。

圖4　處理器PMIC電源框圖

2.4顯示屏供電電路

對(duì)于多媒體車載終端，LCD顯示屏[4]供電包括邏輯電壓供電和背光電源供電，供電電路如圖5所示。邏輯電壓包括3.3/4/10.4/16/-7 V，各個(gè)電壓的電流均不大，3.3 V和4 V可以通過5 V經(jīng)過LDO轉(zhuǎn)換得到，而10.4/16/-7 V只能采用升壓的電路設(shè)計(jì)，升壓電路采用MPS升壓芯片MP1540設(shè)計(jì)。MP1540是一款中等電流輸出的升壓芯片，輸入電壓范圍為2.5~6 V，輸出電壓范圍為3~18 V，可提供負(fù)載200 mA的電流。本電源系統(tǒng)采用經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換后的5 V作為輸入電壓，芯片MP1540輸出1.3 MHz的開關(guān)波形，經(jīng)過L4/D15后，輸出電壓為10.4 V，輸出電壓主要由電阻R22和R25決定，滿足式(2)的關(guān)系，其中R22=110 kΩ,R25=15 kΩ，VFB=1.25 V。電壓-7 V及16 V則是利用電容的充放電及二極管單向?qū)ㄌ匦栽O(shè)計(jì)的。電容C17、D6、R17和C16構(gòu)成了-7 V產(chǎn)生電路，C22、D9、R8和C23構(gòu)成了16 V產(chǎn)生電路，相當(dāng)于在10.4 V上疊加一個(gè)5 V開關(guān)脈沖，通過二極管D9和電阻R8輸出16 V電壓。其中穩(wěn)壓管D7及D10主要起到保護(hù)顯示屏接口電源的作用，防止過沖對(duì)顯示屏造成損壞。

VCC _OUT=VFB×((R22+R25)/R25)

(2)

顯示屏背光電源電路采用MP1488芯片進(jìn)行設(shè)計(jì),能提供800 mA的電流輸出用于驅(qū)動(dòng)背光LED燈，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)92%以上，采用SOT23-6的封裝。芯片的引腳1輸出SW開關(guān)波形，經(jīng)過D8輸出接顯示屏背光燈正極，引腳3通過電阻R19接到背光燈負(fù)極，電阻R20、R21起到限流調(diào)節(jié)作用。R23、D16和C31形成背光調(diào)節(jié)電路，通過CPU調(diào)節(jié)LIGHT_PWM波形的頻率及占空比，可以調(diào)節(jié)芯片給顯示屏背光的供電電流，從而達(dá)到調(diào)節(jié)背光亮度的目的。

圖5　顯示屏供電電路

2.5USB充電及外設(shè)電源控制電路

現(xiàn)在很多車主都會(huì)用多媒體顯示屏的USB接口給手機(jī)充電，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)充電管理及保護(hù)電路，同時(shí)保護(hù)多媒體設(shè)備和充電手機(jī)。另外，車載終端的各個(gè)模塊，在沒有電源芯片使能引腳能夠控制電源時(shí)，必須要增加開關(guān)控制電流來(lái)對(duì)外設(shè)電源進(jìn)行管理和控制，在不使用時(shí)使外設(shè)進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，達(dá)到省電目的。電源USB充電管理和外設(shè)電源管理電路略——編者注。

3電源工作流程設(shè)計(jì)

多媒體車載終端外設(shè)較多，特別是功放和顯示屏耗電最大，因此在長(zhǎng)時(shí)間停車情況下需要關(guān)閉設(shè)備電源，降低功耗，防止汽車電瓶被耗盡的危險(xiǎn)發(fā)生。同時(shí)，多媒體終端也需要根據(jù)任務(wù)請(qǐng)求合理管理各個(gè)模塊的電源。

系統(tǒng)上電流程略——編者注，電瓶點(diǎn)火ACC和CPU處理器對(duì)設(shè)備總電源進(jìn)行聯(lián)合控制。上電之前，CPU無(wú)法控制系統(tǒng)總電源，此時(shí)主要由汽車點(diǎn)火ACC進(jìn)行控制，只有在ACC有效時(shí)，設(shè)備才啟動(dòng)上電。上電后，CPU處理器輸出控制信號(hào)控制系統(tǒng)電源，之后就無(wú)需ACC硬件來(lái)控制系統(tǒng)總電源。

系統(tǒng)掉電流程略——編者注，設(shè)備在正常工作時(shí)會(huì)檢測(cè)ACC信號(hào)狀態(tài)，如果ACC無(wú)效的時(shí)間間隔大于休眠條件，則CPU處理器保存完數(shù)據(jù)后再進(jìn)入休眠。

功能模塊的電源管理流程略——編者注，包括顯示屏、觸摸屏、定位模塊、攝像頭等各個(gè)外設(shè)模塊。根據(jù)任務(wù)執(zhí)行需要進(jìn)行開關(guān)控制，達(dá)到了省電的目的。

結(jié)語(yǔ)

本文從多媒體車載終端的功能模塊分析出發(fā)，提出了系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)方案，分析了各個(gè)電源的電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，并規(guī)劃了一種多媒體終端電源管理及上電、斷電流程。所設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)能適用于復(fù)雜的車載環(huán)境，對(duì)于多媒體車載終端及其他汽車電子產(chǎn)品的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有一定的借鑒意義。

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蔡炎平(助理工程師)、李家祥(高級(jí)工程師)，研究方向?yàn)槠囯娮討?yīng)用；崔曉偉(副教授)，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航、信號(hào)處理。

Power Management Design of Multi-media Vehicle terminal※

Cai Yanping1,2,Cui Xiaowei1,Li Jiaxiang2

(1.Department of Electronic Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Yaxon Network Co.,Ltd.)

Abstract：A stable and efficient power supply system for the multi-media vehicle terminal is design.Through the analysis of most function modules of the multi-media vehicle terminal,the scheme of the power system architecture is introduced,and the power distribution and management of each module are realized.According to the bad working environment of the vehicle terminal,some corresponding protection and anti-jamming measures are designed.The way of devices selection and circuit design in every module are introduced,and the methods of the system power management and power saving are proposed.

Key words:vehicle terminal;power management;power supply system

收稿日期：(責(zé)任編輯：薛士然2015-09-06)

中圖分類號(hào):TP36

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A