適用于汽車(chē)?yán)淦饎?dòng)應(yīng)用的雙開(kāi)關(guān)降壓/升壓技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)，我們采用降壓升壓拓?fù)湫屯負(fù)鋪?lái)解決汽車(chē)應(yīng)用中的寬闊輸入電壓范圍及冷起動(dòng)需求。本文將詳細(xì)解釋冷起動(dòng)的要求，并介紹兩種不同的解決方案。其中一種是傳統(tǒng)的SPEIC拓?fù)?，而另一種是較新的多開(kāi)關(guān)降壓/升壓拓?fù)洹?/p>

　　下文將闡述每種方案的優(yōu)劣勢(shì)，并且將著重指出雙開(kāi)關(guān)降壓/升壓拓?fù)湎鄬?duì)于傳統(tǒng)SEPIC拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)。此外，本文還會(huì)結(jié)合美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體最新推出的LM5118仿電流模式降壓/升壓控制器來(lái)作應(yīng)用說(shuō)明。

　　冷起動(dòng)條件

　　起動(dòng)汽車(chē)其實(shí)就是通過(guò)電力起動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)。電力起動(dòng)馬達(dá)消耗動(dòng)力由汽車(chē)電池提供。啟動(dòng)馬達(dá)需要的大負(fù)載將導(dǎo)致電池電壓逐漸下降。對(duì)于汽車(chē)起動(dòng)來(lái)說(shuō)，最壞的情況就是"冷起動(dòng)"。這種情況發(fā)生在溫度極低的環(huán)境中，低溫環(huán)境會(huì)使汽車(chē)?yán)淦饎?dòng)更加困難。當(dāng)汽車(chē)處于氣溫極低的環(huán)境時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力會(huì)升至最高，因此需要較大的機(jī)械力量才能發(fā)動(dòng)起來(lái)。因此，電力起動(dòng)馬達(dá)所消耗的峰值電流將比在溫暖環(huán)境下發(fā)動(dòng)時(shí)更高。另一個(gè)在"冷起動(dòng)"情況下的影響因素是汽車(chē)電池的電壓會(huì)隨著氣溫下降而下降，并且電池越舊則下降的幅度越大。

　　上述兩個(gè)低溫效應(yīng)會(huì)使汽車(chē)電池的最小供電電壓大幅下降。ISO7637標(biāo)準(zhǔn)制訂了汽車(chē)于冷起動(dòng)條件下的基本電壓波形。圖1表示出冷起動(dòng)條件下的電壓特性，其一般將電壓定義為兩個(gè)電壓水平。首先，當(dāng)電力起動(dòng)馬達(dá)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)去克服初始機(jī)械阻力時(shí)，供電電壓便處于最低。接著機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)，所需的電壓也隨之增大。最后，當(dāng)電力起動(dòng)馬達(dá)被關(guān)閉后，系統(tǒng)電壓便會(huì)返回正常水平。

一般來(lái)說(shuō)，我們采用降壓升壓拓?fù)湫屯負(fù)鋪?lái)解決汽車(chē)應(yīng)用中的寬闊輸入電壓范圍及冷起動(dòng)需求。本文將詳細(xì)解釋冷起動(dòng)的要求，并介紹兩種不同的解決方案。其中一種是傳統(tǒng)的SPEIC拓?fù)洌硪环N是較新的多開(kāi)關(guān)降壓/升壓拓?fù)洹?/p>

　　下文將闡述每種方案的優(yōu)劣勢(shì)，并且將著重指出雙開(kāi)關(guān)降壓/升壓拓?fù)湎鄬?duì)于傳統(tǒng)SEPIC拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)。此外，本文還會(huì)結(jié)合美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體最新推出的LM5118仿電流模式降壓/升壓控制器來(lái)作應(yīng)用說(shuō)明。

　　冷起動(dòng)條件

　　起動(dòng)汽車(chē)其實(shí)就是通過(guò)電力起動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)。電力起動(dòng)馬達(dá)消耗動(dòng)力由汽車(chē)電池提供。啟動(dòng)馬達(dá)需要的大負(fù)載將導(dǎo)致電池電壓逐漸下降。對(duì)于汽車(chē)起動(dòng)來(lái)說(shuō)，最壞的情況就是"冷起動(dòng)"。這種情況發(fā)生在溫度極低的環(huán)境中，低溫環(huán)境會(huì)使汽車(chē)?yán)淦饎?dòng)更加困難。當(dāng)汽車(chē)處于氣溫極低的環(huán)境時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力會(huì)升至最高，因此需要較大的機(jī)械力量才能發(fā)動(dòng)起來(lái)。因此，電力起動(dòng)馬達(dá)所消耗的峰值電流將比在溫暖環(huán)境下發(fā)動(dòng)時(shí)更高。另一個(gè)在"冷起動(dòng)"情況下的影響因素是汽車(chē)電池的電壓會(huì)隨著氣溫下降而下降，并且電池越舊則下降的幅度越大。

　　上述兩個(gè)低溫效應(yīng)會(huì)使汽車(chē)電池的最小供電電壓大幅下降。ISO7637標(biāo)準(zhǔn)制訂了汽車(chē)于冷起動(dòng)條件下的基本電壓波形。圖1表示出冷起動(dòng)條件下的電壓特性，其一般將電壓定義為兩個(gè)電壓水平。首先，當(dāng)電力起動(dòng)馬達(dá)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)去克服初始機(jī)械阻力時(shí)，供電電壓便處于最低。接著機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)，所需的電壓也隨之增大。最后，當(dāng)電力起動(dòng)馬達(dá)被關(guān)閉后，系統(tǒng)電壓便會(huì)返回正常水平。

為了在寬闊的輸入電壓范圍下提供高精確度的輸出電壓調(diào)節(jié)，必須用適當(dāng)?shù)目刂品椒?qū)動(dòng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)MOSFET，以便為降壓與降壓/升壓模式之間提供一個(gè)順暢的過(guò)度。該控制器可根據(jù)輸入輸出的條件以三種不同的模式運(yùn)行：

　　1.降壓操作 Vin >Vout：假如Vin 大于Vout一個(gè)足夠的份量，調(diào)節(jié)器便會(huì)以一個(gè)傳統(tǒng)的降壓穩(wěn)壓器形式來(lái)運(yùn)行。在這模式下，降壓轉(zhuǎn)換函數(shù)為Vout/Vin = D，其中D是Q1的占空比，而單純的降壓運(yùn)行模式可確保得出最優(yōu)的效率及調(diào)節(jié)效果。

　　當(dāng)Vin 相對(duì)Vout下降至占空比接近70%時(shí)，升壓開(kāi)關(guān)便會(huì)以一個(gè)最小的占空比被激活，使調(diào)節(jié)器進(jìn)入一個(gè)軟降壓/升壓模式(圖3a)。

2.降壓/升壓操作 Vin≈Vout：隨著Vin進(jìn)一步降低至接近Vout，降壓開(kāi)關(guān)的占空比將會(huì)下降，與此同時(shí)升壓開(kāi)關(guān)的占空比則上升。這也使降壓運(yùn)行模式可以順暢轉(zhuǎn)換到升壓運(yùn)行模式。
3.降壓/升壓操作 Vin<Vout：隨著Vin進(jìn)一步下降低于Vout，降壓與升壓開(kāi)關(guān)的占空比將會(huì)相同。其時(shí)，轉(zhuǎn)換器會(huì)以一個(gè)全降壓/升壓模式來(lái)運(yùn)行，而降壓/升壓轉(zhuǎn)換函數(shù)為Vout/Vin = D/(1-D)。其中D是開(kāi)關(guān)MOSFET的Q1及Q2占空比(圖3b)。

　　配合這種運(yùn)行模式，輸出電壓便可于Vin接近Vout時(shí)繼續(xù)維持穩(wěn)定，原因是期間沒(méi)有發(fā)生電壓突變，只是從降壓與升壓模式之間出現(xiàn)一個(gè)漸進(jìn)的轉(zhuǎn)換。

　　仿峰值電流模式控制方案

　　為了確保輸出電壓可在寬闊的輸入電壓范圍下進(jìn)行調(diào)節(jié)，必須采用PWM電流模式控制方案。原因是電流模式控制可提供固有的線路前饋、逐周期性的電流限制及簡(jiǎn)單閉環(huán)補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)。

傳統(tǒng)電流模式方案的唯一應(yīng)用限制是它對(duì)電流感測(cè)路徑上的噪聲極其敏感，并難以配合高輸入電壓應(yīng)用所需的低占空比。因此，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體特別開(kāi)發(fā)了一個(gè)全新的電流模式控制方案"仿電流模式"，將過(guò)往的應(yīng)用限制一掃而空。

　　仿電流模式可以重建電感器斜坡電流。具體方法是：首先測(cè)量續(xù)流二極管在開(kāi)關(guān)周期結(jié)束時(shí)的電流，然后加上與電感器電流斜坡成比例的斜坡。為了模仿電感器電流的斜坡部份，一個(gè)外部電容器被一個(gè)固定電流充電，而該固定電流與輸入和輸出電壓間的差別成比例。如此一來(lái)，最后出現(xiàn)在電容器的斜坡電壓便可與電感器本身的斜坡電流形成比例關(guān)系。對(duì)于大于50%的占空比，電流模式控制電路會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)子諧波振蕩，而在電流感測(cè)信號(hào)上加入一個(gè)固定斜率的電壓斜坡信號(hào)(即斜率補(bǔ)償)便可有效地預(yù)防這種振蕩。此外，仿電流模式方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電路處于短路或超載時(shí)，電感器的電流不會(huì)出現(xiàn)失控，原因是該電流在降壓開(kāi)關(guān)被啟動(dòng)前已被取樣。假如電感器電流過(guò)大，有關(guān)的周期便會(huì)被省略直至電流下降至過(guò)流閾值以下。

　　斜坡、取樣及保留直流電平、供PWM及電流限制用的仿斜坡信號(hào)、提供仿電流信號(hào)的消隱脈沖電平、具備與電感器電流相同斜率的仿斜坡。

SEPIC拓?fù)渑c單電感器降壓/升壓模式的比較

　　SEPIC是另一種可于寬闊輸入電壓要求下進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)的常用拓?fù)浼夹g(shù)。該拓?fù)溆梢粋€(gè)升壓/降壓-升壓級(jí)和一個(gè)降壓級(jí)組合而成。SEPIC是Single Ended Primary Inductance Converter的字首縮寫(xiě)，也就是單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器。字面中的單端表示只用一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)把能量送入轉(zhuǎn)換器內(nèi)。

　　SEPIC轉(zhuǎn)換器的功能可通過(guò)觀察圖5中的三個(gè)主要變換級(jí)來(lái)說(shuō)明：

　1)圖5上方表示了SEPIC于開(kāi)關(guān)閉合前的初始狀態(tài)。SEPIC的電容器必須被充電至VIN，其時(shí)的輸出為0V，并且在所有元件中都沒(méi)有電流。

　　2)當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電壓VIN會(huì)被施加到電感器L1，這時(shí)通過(guò)L1的電流突然增加并把能量?jī)?chǔ)存，情況就如升壓拓?fù)湟话?。與此同時(shí)，相同的VIN亦會(huì)被施加到L2，而該電壓則來(lái)自SEPIC電容器。這時(shí)，SPEIC電容器開(kāi)始將能量通過(guò)流經(jīng)L2的突增電流轉(zhuǎn)移到L2上。在此期間，二極管處于反向偏置。

　　現(xiàn)在，電流在兩個(gè)電感器中流動(dòng)，即使開(kāi)關(guān)再次斷開(kāi)也不會(huì)出現(xiàn)瞬變。

　　3)當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，流經(jīng)L1的電流無(wú)處可走，只好經(jīng)過(guò)SPEIC電容器流往輸出電容器及輸出端，而流經(jīng)L2的電流亦必須流往輸出端。

　　為了讓電流繼續(xù)流經(jīng)L1，開(kāi)關(guān)上的電壓會(huì)被提升到VIN+VOUT+VDIODE的水平，而流經(jīng)SEPIC電容器的電流會(huì)再次把電容器充電，促使它能夠于開(kāi)關(guān)閉合時(shí)把能量傳送到L2。

　　在SEPIC電容器與L2之間存在一個(gè)能量平衡，可以幫助決定SEPIC電容器的數(shù)值，而該數(shù)值越小，操作便越穩(wěn)定。

　　SEPIC轉(zhuǎn)換器的效率會(huì)低于一個(gè)純升壓或降壓拓?fù)?。這主要是因?yàn)槭荜P(guān)聯(lián)的外部元件數(shù)量增加所致。例如在電源路徑中的第二個(gè)功率電感器和SEPIC電容器的損耗便會(huì)影響電路整體的效率。SPEIC電容器是SEPIC轉(zhuǎn)換器中最關(guān)鍵的元素。因?yàn)樗械妮敵龉β识夹枰鹘?jīng)它，所以會(huì)局限這種拓?fù)湓谳^低功率方面的應(yīng)用。

　　比較降壓/升壓拓?fù)渑cSEPIC拓?fù)鋾?huì)發(fā)現(xiàn)：降壓/升壓只需一個(gè)電感器，而且電容器數(shù)量更少一個(gè)。當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓時(shí)，也就是大部份典型汽車(chē)常出現(xiàn)的情況，轉(zhuǎn)換器便會(huì)以降壓轉(zhuǎn)換器的形式運(yùn)行，以產(chǎn)生較低的輸出紋波及為負(fù)載線路提供更高效率和更優(yōu)的瞬態(tài)調(diào)節(jié)。此外，SEPIC拓?fù)溥€可能會(huì)因SEPIC 電容器的寄生效應(yīng)而引致更高的電磁干擾噪聲。

　　圖6是一個(gè)以LM5118仿電流模式降壓/升壓控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的降壓/升壓拓?fù)鋵?shí)例。

結(jié)論

　　在汽車(chē)冷起動(dòng)應(yīng)用中，單電感器降壓/升壓控制器較傳統(tǒng)的SEPIC轉(zhuǎn)換器具有更多的優(yōu)勢(shì)：更高的效率、更優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能及更低的電磁干擾噪聲。