汽車電子應(yīng)用中的冷啟動(dòng)

對(duì)于許多汽車環(huán)境中的應(yīng)用與ECU來(lái)說(shuō)，由電池及發(fā)電機(jī)所提供的電壓會(huì)有不足的問(wèn)題，首先必須轉(zhuǎn)換至正確的電壓水平。一般會(huì)使用DC/DC切換式電壓調(diào)整器與線性穩(wěn)壓器來(lái)達(dá)成這個(gè)目標(biāo)。本文將著重于切換式穩(wěn)壓器的討論，因?yàn)榫€性方案無(wú)法產(chǎn)生高于輸入電壓的輸出電壓。

　　最常使用的拓樸為降壓轉(zhuǎn)換器(圖 1)，只需要單一電感以及一組二極管與開(kāi)關(guān)，就可以達(dá)成切換式DC/DC方案中最簡(jiǎn)單、最節(jié)省成本的選擇之一。然而唯一的缺點(diǎn)是，這種方法只能產(chǎn)生低于輸入電壓的輸出電壓。 如果輸出電壓需要高于輸入電壓，可以使用「反向」拓樸或升壓轉(zhuǎn)換器(圖 2)。這種拓樸所需的組件相似，但是可以產(chǎn)生高于輸入電壓的輸出電壓。

　　圖 1：基本的降壓轉(zhuǎn)換器

　　圖 2：基本的升壓轉(zhuǎn)換器

　　由于汽車板網(wǎng)電壓的變動(dòng)幅度相當(dāng)大(啟動(dòng)時(shí)可低至 3.5V，在箝位負(fù)載突降期間也可高至 45V)，因此在有些ECU的應(yīng)用中，一定會(huì)產(chǎn)生輸入與輸出電壓互相跨越的情形。啟動(dòng)過(guò)程中(發(fā)動(dòng)引擎)絕不允許突然失能，特別是動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用或某些導(dǎo)航及信息娛樂(lè)系統(tǒng)，這個(gè)問(wèn)題可以透過(guò)使用返馳轉(zhuǎn)換器或SEPIC 拓樸得以解決，不過(guò)所需變壓器型電感的額外成本及空間較大，對(duì)客戶來(lái)說(shuō)較不具吸引力。

　　即使輸入電壓跨越了輸出電壓值，升降壓拓樸仍然可以提供穩(wěn)定的輸出電壓，并兼具只使用單一線圈的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，在同一個(gè)拓樸中，結(jié)合了降壓與升壓轉(zhuǎn)換器。兩種不同模式間的無(wú)縫轉(zhuǎn)換，可以在所有輸入電壓狀況下，產(chǎn)生穩(wěn)定不中斷的輸出電壓。

　　圖 3：異步升降壓轉(zhuǎn)換器

　　在此結(jié)合了兩種不同的拓樸，因此相較于使用一組開(kāi)關(guān)及二極管的單純降壓或升壓方式，異步升降壓轉(zhuǎn)換器需要使用兩組開(kāi)關(guān)及二極管(圖 3)。為了提升整體效能，可以用開(kāi)關(guān)取代二極管， 現(xiàn)在的拓樸結(jié)合電感看起來(lái)類似于完整的 H 橋(圖 4)。

　　圖4 開(kāi)關(guān)取代二極管

　　這些裝置的一般功能，可再細(xì)分為三種操作模式:

　　1.輸入電壓高于輸出電壓時(shí)的降壓模式

　　2.輸入電壓低于輸出電壓的升壓模式

　　3.輸入電壓在輸出電壓范圍中的轉(zhuǎn)移

　　降壓模式操作

　　在降壓模式中的操作，輸入電壓一定高于輸出電壓，在功能上類似于基本的降壓拓樸。在降壓模式中，轉(zhuǎn)換器的升壓開(kāi)關(guān)(B1 與 B2)不會(huì)進(jìn)行切換，B1 開(kāi)關(guān)一定處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣可讓電流由電感流至輸出電容器。B2 開(kāi)關(guān)一定要開(kāi)啟，以免造成輸出至接地 (GND) 的短路。

　　在切換為「導(dǎo)通時(shí)間」時(shí)，會(huì)關(guān)閉 A1 開(kāi)關(guān)，以對(duì)電感充電(圖 5)。在此周期中，電流由輸入處流經(jīng) A1 開(kāi)關(guān)、線圈以及 B1 開(kāi)關(guān)，并進(jìn)入輸出電容器。

　　圖 5：導(dǎo)通階段的降壓轉(zhuǎn)換器電流流向

　　在周期的第二階段中(關(guān)閉時(shí)間)，A1 開(kāi)關(guān)會(huì)開(kāi)啟，A2 開(kāi)關(guān)則會(huì)關(guān)閉(圖 6)。充磁線圈會(huì)迫使電流由 GND 流經(jīng) A2 開(kāi)關(guān)、線圈、B1 開(kāi)關(guān)，然后進(jìn)入輸出電容器(又稱為飛輪)。

　　圖 6：飛輪階段的降壓轉(zhuǎn)換器電流流向

　　在異步拓樸中，以二極管取代了 A2 開(kāi)關(guān)作為被動(dòng)飛輪組件。這可減少驅(qū)動(dòng)器與場(chǎng)效晶體管 (FET) 的使用數(shù)量，但是也降低了轉(zhuǎn)換器的效能。在此操作中的切換負(fù)載周期，其依據(jù)為方程式 1 所示的輸入輸出電壓比。

　　圖 7：降壓切換階段的電流波形 升壓模式操作

　　在升壓模式操作中，輸入電壓一定低于輸出電壓，裝置會(huì)以基本的升壓拓樸操作。轉(zhuǎn)換器的降壓開(kāi)關(guān)(A1 與 A2)不會(huì)在此模式中進(jìn)行切換。A1 一定會(huì)關(guān)閉，讓電流由輸入流至電感;A2 一定要開(kāi)啟，以免造成輸入至 GND 的短路。

　　在切換為「導(dǎo)通時(shí)間」時(shí)，會(huì)關(guān)閉 B2 開(kāi)關(guān)，以對(duì)電感充電(圖 8)。在此周期中，電流由輸入處流經(jīng) A1 開(kāi)關(guān)、線圈以及 B2 開(kāi)關(guān)，并進(jìn)入 GND。

　　圖 8：導(dǎo)通階段的升壓轉(zhuǎn)換器電流流向

　　在周期的第二階段中(關(guān)閉時(shí)間)，B2 開(kāi)關(guān)會(huì)開(kāi)啟，B1 開(kāi)關(guān)則會(huì)關(guān)閉(圖 9)。充磁線圈會(huì)迫使電流由輸入處流經(jīng) A1 開(kāi)關(guān)、線圈、B1 開(kāi)關(guān)，然后進(jìn)入輸出電容器。

　　圖 9：飛輪階段的升壓轉(zhuǎn)換器電流流向

　　在異步拓樸中，以二極管取代了 B1 開(kāi)關(guān)作為被動(dòng)飛輪組件。最后結(jié)果與「降壓模式操作」中說(shuō)明的內(nèi)容相同。在此操作中的切換負(fù)載周期，其依據(jù)為輸入輸出電壓比(方程式 2)。

　　圖 10：升壓切換階段的電流波形

　　轉(zhuǎn)移操作

　　如果輸入與輸出電壓非常接近，單獨(dú)使用基本的降壓或升壓模式，都無(wú)法維持由封閉回路控制的穩(wěn)定輸出電壓。一項(xiàng)可能的作法，就是在特定的輸入電壓水平，切換不同模式(為了穩(wěn)定性，電壓閾值具有磁滯現(xiàn)象)。另一種方式可能要以交替切換頻率周期的做法，共同操作降壓與升壓模式，以確保穩(wěn)定的輸出電壓及良好的瞬時(shí)響應(yīng)。

　　圖 11：不同操作階段與模式中的電流及電壓波形

　　結(jié)論

　　很多產(chǎn)品可以協(xié)助客戶解決 12V 板網(wǎng)電壓范圍寬廣延伸的挑戰(zhàn)，如冷啟動(dòng)狀況、負(fù)載突降，或電池耗盡等等。例如TI的TPIC74100 這類完全整合的 5V 1A 升降壓轉(zhuǎn)換器，可以維持穩(wěn)定的輸出電壓，也不需要昂貴笨重的變壓器型電感，因此可以確保應(yīng)用裝置在各種電池電壓的狀況下，進(jìn)行完整操作。