淺析車載電源拋負(fù)載和冷啟動(dòng)問(wèn)題解決方案

車載電源管理的要求正變得愈加苛刻，其要求電源能夠工作在更寬泛的輸入電壓范圍、更高的電流及更高的溫度極值條件下。這些要求將使開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)成為主流，因?yàn)檫@種電源設(shè)計(jì)具有更大的靈活性、更優(yōu)異的可配置性和更高的散熱效率。

開(kāi)關(guān)模式的電源的核心組件是 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。今天的車載轉(zhuǎn)換器必須能夠支持各種運(yùn)行條件，例如：低壓運(yùn)行(也就是冷啟動(dòng))和正瞬態(tài)生存性 (positive transient survivability)(也就是抑制或未抑制的拋負(fù)載狀態(tài))。車載子系統(tǒng)的出現(xiàn)所帶來(lái)的更高負(fù)載需求使得這些數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜。本文將給設(shè)計(jì)者提供一個(gè)關(guān)于車載電源需求的簡(jiǎn)要介紹，并且介紹一款由 TI 最近推出的新型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 TPIC74100。

瞬態(tài)保護(hù)

拋負(fù)載

幾乎所有直接連接至汽車電池的電子組件和電路都要求保護(hù)，以免于受到抑制、瞬態(tài)電壓(高達(dá)60V)和反向電壓狀態(tài)的損害。對(duì)于這些電子電路而言，必須能夠經(jīng)受住電源線路上一定程度的過(guò)電壓，這也是種常見(jiàn)的要求。對(duì)于那些要求任何特殊車載電子系統(tǒng)的主電源輸入均能夠在各種不同瞬態(tài)電壓狀態(tài)(包括交流發(fā)電機(jī)拋負(fù)載)下工作的車載系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤為如此。

由于交流發(fā)電機(jī)控制環(huán)路關(guān)閉的速度不夠快，因此，在將電池電壓去除掉時(shí)，其會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高輸出電壓脈沖。正常情況下，在汽車某個(gè)中央位置，這種高能脈沖被控制(或抑制)在一個(gè)較低的電壓范圍內(nèi)。但是，汽車制造商還是給其供應(yīng)商規(guī)定了在其電源輸入端可能出現(xiàn)的剩余過(guò)電壓。這種情況在不同轎車廠商中有所差異，但是轎車的標(biāo)準(zhǔn)峰值大約為 40V，而商務(wù)車的標(biāo)準(zhǔn)峰值則大約為 60V。一個(gè)典型拋負(fù)載脈沖的持續(xù)時(shí)間為十分之幾秒，下圖(圖 1)顯示了該拋負(fù)載狀態(tài)下的典型脈沖。

儀表板應(yīng)用中的冷啟動(dòng)

車載環(huán)境對(duì)于電源管理芯片的需求正日益增加。這些需求之一便是需要電源管理 IC 能夠在一個(gè)寬電壓偏移范圍內(nèi)工作，直接連接至電池的電子系統(tǒng)通常都會(huì)有這種電壓偏移范圍。通過(guò)觀察該冷啟動(dòng)脈沖，可以描述出此類瞬態(tài)的一個(gè)實(shí)例。這種狀態(tài)可發(fā)生在寒冷環(huán)境下車輛的第一次啟動(dòng)。如果溫度足夠低(冷卻至零攝氏度)，那么引擎的油就會(huì)變得粘稠，通過(guò)要求提供更高的功率(扭矩)，這就對(duì)馬達(dá)提出了重負(fù)載要求。這樣就需要能夠提供更高電流的電池。重負(fù)載需求可以在該點(diǎn)火周期內(nèi)將電池電壓立刻下拉至 3V。

我們所面臨的挑戰(zhàn)是，一些應(yīng)用必須在該過(guò)程中保持運(yùn)行。這些應(yīng)用并非只限于動(dòng)力傳動(dòng)系 ECU 或者安全苛求的應(yīng)用，在一些集群和信息娛樂(lè)子系統(tǒng)中也同樣可以看到這些應(yīng)用的蹤影。當(dāng)出現(xiàn)該狀態(tài)時(shí)，電源管理芯片必須對(duì)輸入電壓進(jìn)行升壓，以便保持正確的調(diào)節(jié)輸出電壓，從而使這些電子系統(tǒng)可以正確地發(fā)揮作用。

可用于升壓∕降壓轉(zhuǎn)換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括若干種類：SEPIC(單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器)，或一種純降壓∕升壓轉(zhuǎn)換器。

SEPIC 轉(zhuǎn)換器

SEPIC 轉(zhuǎn)換器提供了一種降壓轉(zhuǎn)換，直到輸入電壓等于或者降到輸出電壓電平之下。然后，其將提供升壓轉(zhuǎn)換，直到電池電壓降至最小容許輸入電壓的電平。使用 SEPIC 的一個(gè)主要弊端是，它需要一個(gè)單耦合電感器(變壓器)或者兩個(gè)單獨(dú)電感器，以及一個(gè)耦合電容器，如圖 3 所示。

這些電感器和線圈的體積均較大，需要占用更多的 PCB 空間。在那些必須保持體積尺寸和板級(jí)空間的應(yīng)用中，這種情況就更加不適宜。

啟動(dòng)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

車載應(yīng)用中，對(duì)于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的需求在過(guò)去的幾年中急劇增長(zhǎng)。對(duì)于那些電壓瞬態(tài)期間(例如：冷啟動(dòng))需要繼續(xù)“存活”的應(yīng)用而言，這就更加有益。

該降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是一款典型的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，其具有一個(gè)大于或者小于輸入電壓振幅的輸出電壓振幅。它是一款開(kāi)關(guān)模式電源，具有同升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器相類似的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)開(kāi)關(guān)晶體管的占空比，可是可以對(duì)該輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個(gè)降壓功率級(jí)及其兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)組成，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)又通過(guò)功率電感被連接至一個(gè)升壓功率級(jí)及其兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)。這些開(kāi)關(guān)能夠以三種不同的運(yùn)行模式進(jìn)行控制：降壓-升壓模式、降壓模式和升壓模式。運(yùn)行的特殊芯片模式是輸入到輸出電壓比率的函數(shù)，同時(shí)也是芯片的控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

TPIC74100-Q1 是一款降壓-升壓開(kāi)關(guān)模式調(diào)節(jié)器，其在電源概念下工作，以確保一個(gè)帶輸入電壓偏移和規(guī)定負(fù)載范圍的穩(wěn)定輸出電壓。

TPIC74100-Q1 擁有完整的電壓模式控制開(kāi)關(guān)，也是在同步配置中被設(shè)計(jì)出來(lái)的，以獲得整體增強(qiáng)效率。借助于一些外部組件(LC 組合)，該器件可將輸出調(diào)節(jié)至 5V±3%，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)寬泛的輸入電壓范圍，使其可以被許多高輸入電壓所應(yīng)用。當(dāng) 5V 輸出軌超出規(guī)定容差時(shí)，該器件還可提供一種復(fù)位功能，用于檢測(cè)和指示。

TPIC74100-Q1 擁有一個(gè)頻率調(diào)制方案，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)在頻帶上擴(kuò)散頻譜噪聲(而非在特定頻率上達(dá)到峰值)來(lái)滿足 EMC 要求…

5Vg 輸出是一種開(kāi)關(guān) 5V 調(diào)節(jié)輸出，其帶有內(nèi)部電流限制功能，以在驅(qū)動(dòng)一個(gè)電源線路電容性負(fù)載時(shí)防止“復(fù)位”聲明 (assert)。這種功能由 5Vg_ENABLE 終端控制。如果該輸出(5Vg 輸出)上有一個(gè)接地短路，那么輸出將通過(guò)在斬波模式下運(yùn)行來(lái)進(jìn)行自我保護(hù)。但是，在該故障狀態(tài)下，這樣做就會(huì)增高 VOUT 的輸出紋波電壓。

降壓-升壓轉(zhuǎn)換

根據(jù)輸入電壓 (Vdriver) 和輸出負(fù)載條件的不同，該運(yùn)行模式在降壓和升壓模式之間進(jìn)行自動(dòng)切換。

在正常運(yùn)行模式中，該系統(tǒng)將會(huì)被配置為一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器。但是，在低輸入電壓脈沖期間，該器件自動(dòng)地轉(zhuǎn)換到升壓模式運(yùn)行，以維持 5V 的電壓調(diào)節(jié)。當(dāng)該器件正運(yùn)行于升壓模式且處于 5.8V 至 5V 的轉(zhuǎn)換 (crossover) 窗口中時(shí)，輸出調(diào)節(jié)可能包含一個(gè)高于正常情況的紋波，并且僅維持一個(gè) 3% 的容差。這種紋波和容差取決于負(fù)載情況，負(fù)載條件越高，性能就越高。

低功耗運(yùn)行

在一些應(yīng)用中，例如：傳動(dòng)系和儀表板群，要求低功耗模式運(yùn)行以使車輛點(diǎn)火處于“關(guān)閉”時(shí)的功耗處于最小。TPIC74100-Q1 擁有一個(gè)輸入 LPM，當(dāng)其在輕負(fù)載(通常小于 30mA)期間被開(kāi)啟時(shí)將運(yùn)行在 PFM(脈沖頻率調(diào)制)中。在大多數(shù)系統(tǒng)中，許多存儲(chǔ)器設(shè)備在點(diǎn)火處于“關(guān)閉”狀態(tài)時(shí)仍然需要一些功率來(lái)保留數(shù)據(jù)，通常需要不到 100uA 的電流。為了支持這種運(yùn)行模式，總模耗應(yīng)低于 300uA。TPIC74100-Q1 擁有 150uA(典型值)靜態(tài)電流的低功耗模式。通過(guò)開(kāi)關(guān)頻率的變化完成調(diào)節(jié)。

在 PFM 模式下，用于輸出負(fù)載的減少的負(fù)載電流量是不存在的。在這種模式下，轉(zhuǎn)換器效率更低，由于更高的負(fù)載電流，輸出電壓紋波將比 PWM 模式下稍大一些。實(shí)現(xiàn)低功耗模式功能，以實(shí)現(xiàn)降壓模式運(yùn)行。在升壓模式條件下，該器件將會(huì)自動(dòng)進(jìn)入 PWM 模式。通過(guò)開(kāi)啟低功耗模式，降壓和升壓之間的轉(zhuǎn)換還有 PWM 模式和 PFM 模式之間的轉(zhuǎn)換將同時(shí)進(jìn)行。

結(jié)論

在許多車載應(yīng)用中，車載瞬態(tài)電壓是一個(gè)將會(huì)不斷給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)挑戰(zhàn)的問(wèn)題。在許多需要在這些條件下不斷保持運(yùn)行的車載電源管理系統(tǒng)應(yīng)用中，或者當(dāng)電池電壓意外地降到要求輸出電壓電平之下時(shí)，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將起到一個(gè)關(guān)鍵作用。TPIC74100-Q1 車載降壓/升壓轉(zhuǎn)換器將簡(jiǎn)化車載環(huán)境中的設(shè)計(jì)，并且使設(shè)計(jì)工程師可以節(jié)省外部組件數(shù)量和 PCB 空間(其具有功率開(kāi)關(guān)和同步運(yùn)行集成的特點(diǎn))。TPIC74100-Q1 采用一個(gè)具有散熱焊盤(pán)的 20 引腳 PWP 封裝，其規(guī)定的工作溫度范圍為 -40℃～+125℃。