一種用于汽車啟停的低耗能電源設計

 隨著城市快節(jié)奏的發(fā)展，大多數(shù)人擁有自己的車，這也使得交通變得擁堵，而汽車在高峰期的走走停停會耗掉很多的能源，不僅浪費還污染環(huán)境。故而引進了汽車系統(tǒng)中的“啟停”功能，但是這種系統(tǒng)也給汽車電子帶來了一些獨特的工程技術挑戰(zhàn)，汽車啟停系統(tǒng)中電源設計是一大難題。本文就為大家介紹一種用于汽車啟停的低耗能電源設計。

為了控制燃油消耗，許多汽車制造商在下一代汽車中實現(xiàn)了“啟停”功能，而且為數(shù)眾多的這種汽車已經開始上路。這些系統(tǒng)會在汽車停下來時關閉發(fā)動機，當腳從剎車踏板移動到加速踏板——或者在使用手動檔情況下釋放離合器踏板重新接入動力時又自動重新啟動發(fā)動機。在城市行駛和停停走走的高峰時段這種功能非常有助于減少燃油消耗。

然而，這種系統(tǒng)也給汽車電子帶來了一些獨特的工程技術挑戰(zhàn)，因為在發(fā)動機重啟時電池電壓可能降至6.0V或更低。另外，典型的電子模塊都包含有一個反極性的二極管，用于在汽車搭線啟動又意外將搭線接反時保護汽車電路。這個二極管會使電池電壓再降低0.7V，因此可供下游電路使用的電壓只有5.3V甚至更低。由于許多模塊仍然需要5V電源供電，因此基本上沒有了余量，很難保證電路正常工作。

升壓供電

一種方法是升壓供電，即輸入較低的電壓，輸出較高的電壓。目前許多供應商在電子模塊前端采用某種類型的升壓電源，這樣即使在因啟停系統(tǒng)造成的降壓條件下電子模塊也能正常工作。

與大多數(shù)工程問題一樣，解決問題的方法有許多。如果輸入端的電池電壓只是下降至6V，那么首選也是最簡單的解決方案是尋找一款低壓降的線性穩(wěn)壓器，這種穩(wěn)壓器只需不到0.3V的壓差就能正常工作。這種方法適合電流要求較低的模塊，但是對電流需求較高的模塊來說，這種方法是不合適的。

另外一種方法是用肖特基二極管或P溝道MOSFET代替用于前端電池反極性保護的標準P-N結二極管。肖特基二極管的前向壓降大約是標準整流管的一半，因此可以增加十分之幾伏的壓差余量。改用肖特基二極管相當簡單，因為它與標準二極管一樣可以直接安裝在相同的PCB焊盤上，不需要修改版圖。

圖1：用P-FET實現(xiàn)電池反極性保護。

不過使用P溝道MOSFET要求修改PCB，還要增加一些額外的電路。

圖1表明需要三個元件：一個P-FET，一個齊納二極管和一個電阻。P-FET需要考慮尺寸大小以便能夠應付施加到模塊輸入端的電壓以及要求的負載電流。另外，要認真考慮系統(tǒng)的散熱要求，因為FET功耗等于電流的平方乘以FET的導通電阻。齊納二極管可以防止MOSFET柵極氧化物因過壓條件而損壞。大多數(shù)P-FET從柵極到源極連接可以承受15V至20V的電壓，因此齊納二極管的選型原則是必須能夠在這個電壓點之前鉗位。電阻將柵極拉到地，用于導通P-FET，但它也必須調整到合適的值。阻值不能太小，太小將允許太多的電流流經齊納二極管，從而引起功耗問題。然而，電阻阻值也不能太大，太大的話就不能可靠地使P-FET導通?？傊@種方法的指導思想是減少漏極到源極連接上的壓降。 電壓突降到5V以下

對于給定應用來說，上述方案的一種或幾種組合也許就能解決問題了。但如果輸入電壓真的降到了5V以下會怎樣?一些制造商發(fā)現(xiàn)在“冷啟動”條件下電壓會降至4.5V。如果發(fā)生這種情況，那么就需要使用開關電源來提升輸入電壓。三種最常見的開關電源分別是升壓電源、降壓/升壓電源以及SEPIC電源。

升壓電源使用一個電感、一個N-FET、一個二極管和一個電容。這是最簡單的設計，但也存在一些缺點。如果輸出短路的話就沒辦法保護了，因為從輸入到輸出是一條直通的路徑。另外，當輸入電壓上升到超過輸出電壓設定值時，將沒有辦法阻止輸出電壓同時上升，因為輸入電壓可以通過電感和二極管直通輸出端。

舉例來說，汽車上的大多數(shù)模塊必須通過甩負載測試。在這種測試過程中會產生一個電壓尖峰并施加到Vin端。在使用升壓電源的情況下，這個電壓尖峰將直接傳播到輸出端。因此如果傳播的是40V尖峰電壓，那么連接到Vout端的所有電路都必須能夠承受這個電壓。

另外一種可能性是同相降壓/升壓設計。這種方案只使用一個電感和一個電容，但需要兩個開關和兩個二極管。不過這種方案允許設計師在輸入電壓高過輸出電壓時防止輸出電壓繼續(xù)上升。通過切斷第一個開關(FET1)，這種方案還能防止輸出短路帶來的影響。這種設計的缺點在于效率，因為兩個二極管和兩個開關都會發(fā)生損耗。

圖2：各種升壓電源。

單端初級電感轉換器(SEPIC)設計的版圖非常類似于直接升壓轉換器，只不過它增加了一個到地的電感和一個隔直流電容，好處是輸出端不再有短路問題，因為現(xiàn)在輸出端串聯(lián)了一個隔直流電容。輸出端也不再受輸入電壓的影響，因此可以低于或高于輸入電壓。需要注意的是，正如所有開關拓撲表明的那樣，仍然需要電池反極性保護機制，因為反向電流仍然會通過FET的體二極管從地回流到輸入電壓。

總之，在使用啟停交流發(fā)電機系統(tǒng)時需要考慮許多問題。本文只是簡單討論了電子模塊用的電源，實際上還有其它因素需要考慮。例如，當這些電壓急降時內部和外部照明會變暗。內部燈光閃爍雖然令人惱火，但還不是關鍵，而剎車燈和大燈則直接影響安全性，因此也需要相應的電源解決方案使它們保持正常工作。幸運的是，如今市場上已經有相應的解決方案可以解決這些問題。