應對汽車電子應用中的冷啟動狀況.doc

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1、應對汽車電子應用中的冷啟動狀況從冷啟動到負載突降，升降壓轉換器可以在所有汽車電池電壓的范圍內，提供穩(wěn)定不中斷的電壓。對12V汽車板網的電壓老說，其變化幅度大，可以說是汽車電子應用的一大挑戰(zhàn)。電壓范圍可由3.5V至28V(45V)，因此線性電壓調節(jié)器以及降壓或升壓DC/DC轉換器等簡單的電源方案，無法保證一定能提供電子控制單元(ECU)所需的電壓。升降壓轉換器拓樸可以突破這個困境。這種拓撲不需要使用磁耦合線圈，例如SEPIC或返馳轉換器這類的變壓器，并能提供低成本且具有彈性的系統(tǒng)方案。對于許多汽車環(huán)境中的應用與ECU來說，由電池及發(fā)電機所

2、提供的電壓存在不足的問題，因此必須轉換至正確的水平。一般會使用DC/DC切換式電壓調整器與線性穩(wěn)壓器來達成這個目標。由于線性方案無法產生高于輸入電壓的輸出電壓，因此本文將著重于切換式穩(wěn)壓器的討論。最常使用的拓樸為降壓轉換器，如圖1所示。這種轉換器只需要單一電感以及一組二極管與開關，就可以達成切換式DC/DC方案中非常簡單、節(jié)省成本的選擇。但這種方法也存在缺點，即只能產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換器，如圖2所示。這種拓樸與降壓轉換器所需的組件相似，但是可以產生高于輸入電壓的輸出電壓。圖

3、1基本的降壓轉換器圖2基本的升壓轉換器由于汽車板網電壓的變動幅度相當大，例如啟動時可低至3.5V，在箝位負載突降期間也可高至45V。因此，在有些ECU的應用中，一定會產生輸入與輸出電壓互相跨越的情形。啟動過程中（發(fā)動引擎）絕不允許突然失能，特別是動力系統(tǒng)應用或某些導航及信息娛樂系統(tǒng)。這個問題可以通過使用返馳轉換器或SEPIC拓樸得以解決，不過所需變壓器型電感的額外成本及空間較大，對客戶來說沒有太大吸引力。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單設計，并在同一個拓樸中將降壓與升壓轉換器

4、相結合。兩種不同模式間的無縫轉換可以在所有輸入電壓狀況下，產生穩(wěn)定不中斷的輸出電壓。圖3異步升降壓轉換器、因此相較于使用一組開關及二極管的單純降壓或升壓方式，結合了兩種不同拓樸的異步升降壓轉換器需要使用兩組開關及二極管，如圖3所示。為了提升整體效能，可以用開關取代二極管，如圖4所示，現在的拓樸結合電感看起來類似于完整的H橋。圖4同步升降壓轉換器圖這些裝置的一般功能，可再細分為三種操作模式：輸入電壓高于輸出電壓時的降壓模式；輸入電壓低于輸出電壓的升壓模式；輸入電壓在輸出電壓范圍中的轉移。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

5、電壓，在功能上類似于基本的降壓拓樸。在降壓模式中，轉換器的升壓開關B1與B2不會進行切換。B1開關一定處于關閉狀態(tài)，這樣可讓電流由電感流至輸出電容器。B2開關一定要開啟，以免造成輸出至接地(GND)的短路。在切換為導通時間時，關閉A1開關，以對電感充電，如圖5所示。在此周期中，電流由輸入處流經A1開關、線圈以及B1開關，并進入輸出電容器。圖5導通階段的降壓轉換器電流流向在周期的第二階段中（關閉時間），A1開關會開啟，A2開關則會關閉，如圖6所示。充磁線圈會迫使電流由GND流經A2開關、線圈、B1開關，然后進入輸出電容器（又稱為飛輪）。圖

6、6飛輪階段的降壓轉換器電流流向在異步拓樸中，以二極管取代A2開關作為被動飛輪組件。這可減少驅動器與場效晶體管(FET)的使用數量，同是也降低了轉換器的效能。在此操作中的切換負載周期，其依據為方程式1所示的輸入輸出電壓比。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，裝置會以基本的升壓拓樸操作。轉換器的降壓開關A1與A2不會在此模式中進行切換。A1一定會關閉，讓電流由輸入流至電感；A2一定要開啟，以免造成輸入至GND的短路。在切換為導通時間時，B2開關關閉，以對電感充電，如圖7所示。在此周期中，電流由輸入處流經A1開關、線圈以及

7、B2開關，并進入GND。圖7導通階段的升壓轉換器電流流向在周期的第二階段中（關閉時間），B2開關會開啟，B1開關則會關閉，如圖8所示。充磁線圈會迫使電流由輸入處流經A1開關、線圈、B1開關，然后進入輸出電容器。圖8飛輪階段的升壓轉換器電流流向在異步拓樸中，以二極管取代了B1開關作為被動飛輪組件。最后結果與降壓模式操作中說明的內容相同。在此操作中的切換負載周期，其依據為輸入輸出電壓比，如方程式2。轉移操作如果輸入與輸出電壓非常接近，單獨使用基本的降壓或升壓模式，都無法維持由封閉回路控制的穩(wěn)定輸出電壓。一項可能的作法，就是在特定的輸入電壓水

8、平，切換不同模式（為了提高穩(wěn)定性，電壓閾值具有磁滯現象）。另一種方式可能要用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響應，如圖9所示。圖9不同操作階段與模式中的電流及