1.前言
汽車系統(tǒng)旨在承受溫度的廣泛變化、極端輸入瞬變和其他干擾。我們汽車中的幾乎所有電子設(shè)備都經(jīng)過嚴格的測試，需要滿足汽車電子委員會 (AEC) 規(guī)定的質(zhì)量系統(tǒng)標準和組件認證。大多數(shù)汽車系統(tǒng)由 12V 鉛酸電池供電，我們可能知道，電池電壓在我們可以想象的幾乎所有條件下都會發(fā)生變化：環(huán)境溫度、負載條件、年齡；這個清單不勝枚舉。
在正常工作條件下，電壓可以在 9V 到 16V 之間變化。在某些操作條件下，電壓可能擺動得更遠。內(nèi)燃機點火時，12V鉛酸蓄電池必須為啟動電機的繞組提供足夠的能量，短時間提供大量電流，導(dǎo)致蓄電池電壓急劇下降。極低的溫度會導(dǎo)致電池電壓降得更低。這種現(xiàn)象稱為冷車發(fā)動。典型的測試波形如圖 1 所示，其中電壓可降至 3V。
圖 1：汽車電池冷啟動電壓曲線
2.汽車電壓選擇
汽車電器的電壓較低，一般有6V、12V、24V三種額定電壓，現(xiàn)代汽車普遍采用12V電源。一些重型汽車采用24V電源，有的重型汽車只是柴油機起動裝置采用24V電源，其他用電設(shè)備仍為12V電源，通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來改變電源的電壓。采用低壓的主要優(yōu)點是安全、電源簡單、蓄電池單格數(shù)較少。
汽車采用直流電是因為需要用蓄電池作為發(fā)動機電力啟動電源，蓄電池電能消耗后也必須用直流電充電，因此汽車上電氣系統(tǒng)一直都是直流電。
現(xiàn)代汽車和工業(yè)系統(tǒng)需要穩(wěn)定的電壓源，即使系統(tǒng)輸入電壓從一個極端變到另一個極端，電壓源也須保持穩(wěn)定。在汽車系統(tǒng)中，冷啟動、動態(tài)燃油管理系統(tǒng)中的氣缸停用/激活或發(fā)動機負載顯著改變可能會導(dǎo)致輸入電壓發(fā)生明顯變化。同樣，在工業(yè)應(yīng)用中，線路電壓不足是一個問題，大功率設(shè)備的電機開啟會導(dǎo)致輸入電壓嚴重下降。
即便電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)無法在低壓輸入下為負載提供所需全部功率，但無論輸入電壓電平如何，這些系統(tǒng)中的許多系統(tǒng)都必須保持運行狀態(tài)。例如，廣泛使用的高壓升壓和降壓轉(zhuǎn)換器采用具有標準柵極電平的高壓MOSFET。當輸入下降時，偏置電壓應(yīng)保持在10 V以上，以使柵極驅(qū)動器維持正常工作。無論輸入條件如何，關(guān)鍵的數(shù)字控制和信息系統(tǒng)都應(yīng)具有偏置電壓并保持運作。
如果預(yù)計輸入電壓不會降至所需的偏置電平以下，并且設(shè)計目標是使用外部偏置電源來最大程度地降低開關(guān)控制器的功耗，那么可以采用簡單的降壓轉(zhuǎn)換器。
如果輸入電壓降至所需的偏置電平以下，此設(shè)計的性能展望將發(fā)生顯著變化。在這種情況下，僅使用降壓轉(zhuǎn)換器是不夠的，因為當輸入降至所需的輸出以下時，輸出電壓會跟隨輸入。
3.設(shè)計方案
假設(shè)我們正在設(shè)計一個直接由這個 12V 鉛酸電池供電的 12V 汽車音響系統(tǒng)。我們?nèi)绾巫屢纛l系統(tǒng)以恒定的輸入電壓供電？請記住，如上所述，電池電壓的范圍可以從 3V 到 16V。降壓轉(zhuǎn)換器會起作用嗎？不。當電池電壓低于 12V 時，音頻系統(tǒng)的輸入將下降，可能導(dǎo)致掉電情況。讓我們試試升壓轉(zhuǎn)換器。不。當電池電壓高于 12V 時，音頻系統(tǒng)的輸入會升高，可能會導(dǎo)致過壓情況，從而損壞我們的電子設(shè)備。我們需要的是一個升降壓轉(zhuǎn)換器。顧名思義，無論輸入電壓如何，這種拓撲結(jié)構(gòu)都可以降壓（降壓）或升壓（升壓）至穩(wěn)定的輸出電壓。最重要的是，盡管電壓波動，它仍能提供恒定的能量。圖 2 顯示了一個簡單的級聯(lián)升壓至降壓拓撲。
圖 2：級聯(lián)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
降壓-升壓拓撲有多種變化和簡化，與圖 2 中所示的拓撲相比具有許多優(yōu)勢。例如，兩個轉(zhuǎn)換器可以簡化并共享一個電感，從而節(jié)省電路板空間（見圖 3A）。想提高效率？移除續(xù)流二極管并添加 MOSFET 以降低傳導(dǎo)損耗，即四開關(guān)降壓-升壓（圖 3B）。還在為板級空間而煩惱嗎？為什么不采用四開關(guān)轉(zhuǎn)換器并移動控制 IC 內(nèi)的 MOSFET（圖 3C）并節(jié)省寶貴的 PCB 空間。
圖 3A：2 開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
圖 3B：4 開關(guān)升降壓轉(zhuǎn)換器
圖 3C：具有集成 MOSFET 的升降壓轉(zhuǎn)換器
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