汽车电子应用中的冷启动

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对于许多汽车环境中的应用与ECU来说,由电池及发电机所提供的电压会有不足的问题,首先必须转换至正确的电压水平。一般会使用DC/DC切换式电压调整器与线性稳压器来达成这个目标。本文将着重于切换式稳压器的讨论,因为线性方案无法产生高于输入电压的输出电压。

  最常使用的拓朴为降压转换器(图 1),只需要单一电感以及一组二极管与开关,就可以达成切换式DC/DC方案中最简单、最节省成本的选择之一。然而唯一的缺点是,这种方法只能产生低于输入电压的输出电压。 如果输出电压需要高于输入电压,可以使用「反向」拓朴或升压转换器(图 2)。这种拓朴所需的组件相似,但是可以产生高于输入电压的输出电压。

  

基本的降压转换器

 

  图 1:基本的降压转换器

  

基本的升压转换器

 

  图 2:基本的升压转换器

  由于汽车板网电压的变动幅度相当大(启动时可低至 3.5V,在箝位负载突降期间也可高至 45V),因此在有些ECU的应用中,一定会产生输入与输出电压互相跨越的情形。启动过程中(发动引擎)绝不允许突然失能,特别是动力系统应用或某些导航及信息娱乐系统,这个问题可以透过使用返驰转换器或SEPIC 拓朴得以解决,不过所需变压器型电感的额外成本及空间较大,对客户来说较不具吸引力。

  即使输入电压跨越了输出电压值,升降压拓朴仍然可以提供稳定的输出电压,并兼具只使用单一线圈的简单设计,在同一个拓朴中,结合了降压与升压转换器。两种不同模式间的无缝转换,可以在所有输入电压状况下,产生稳定不中断的输出电压。

  

异步升降压转换器

 

  图 3:异步升降压转换器

  在此结合了两种不同的拓朴,因此相较于使用一组开关及二极管的单纯降压或升压方式,异步升降压转换器需要使用两组开关及二极管(图 3)。为了提升整体效能,可以用开关取代二极管, 现在的拓朴结合电感看起来类似于完整的 H 桥(图 4)。

  

开关取代二极管

 

  图4 开关取代二极管

  这些装置的一般功能,可再细分为三种操作模式:

  1.输入电压高于输出电压时的降压模式

  2.输入电压低于输出电压的升压模式

  3.输入电压在输出电压范围中的转移

  降压模式操作

  在降压模式中的操作,输入电压一定高于输出电压,在功能上类似于基本的降压拓朴。在降压模式中,转换器的升压开关(B1 与 B2)不会进行切换,B1 开关一定处于关闭状态,这样可让电流由电感流至输出电容器。B2 开关一定要开启,以免造成输出至接地 (GND) 的短路。

  在切换为「导通时间」时,会关闭 A1 开关,以对电感充电(图 5)。在此周期中,电流由输入处流经 A1 开关、线圈以及 B1 开关,并进入输出电容器。

  

导通阶段的降压转换器电流流向

 

  图 5:导通阶段的降压转换器电流流向

  在周期的第二阶段中(关闭时间),A1 开关会开启,A2 开关则会关闭(图 6)。充磁线圈会迫使电流由 GND 流经 A2 开关、线圈、B1 开关,然后进入输出电容器(又称为飞轮)。

  

飞轮阶段的降压转换器电流流向

 

  图 6:飞轮阶段的降压转换器电流流向

  在异步拓朴中,以二极管取代了 A2 开关作为被动飞轮组件。这可减少驱动器与场效晶体管 (FET) 的使用数量,但是也降低了转换器的效能。在此操作中的切换负载周期,其依据为方程式 1 所示的输入输出电压比。

  

降压切换阶段的电流波形

 

  图 7:降压切换阶段的电流波形 升压模式操作

 

  在升压模式操作中,输入电压一定低于输出电压,装置会以基本的升压拓朴操作。转换器的降压开关(A1 与 A2)不会在此模式中进行切换。A1 一定会关闭,让电流由输入流至电感;A2 一定要开启,以免造成输入至 GND 的短路。

  在切换为「导通时间」时,会关闭 B2 开关,以对电感充电(图 8)。在此周期中,电流由输入处流经 A1 开关、线圈以及 B2 开关,并进入 GND。

  

导通阶段的升压转换器电流流向

 

  图 8:导通阶段的升压转换器电流流向

  在周期的第二阶段中(关闭时间),B2 开关会开启,B1 开关则会关闭(图 9)。充磁线圈会迫使电流由输入处流经 A1 开关、线圈、B1 开关,然后进入输出电容器。

  

飞轮阶段的升压转换器电流流向

 

  图 9:飞轮阶段的升压转换器电流流向

  在异步拓朴中,以二极管取代了 B1 开关作为被动飞轮组件。最后结果与「降压模式操作」中说明的内容相同。在此操作中的切换负载周期,其依据为输入输出电压比(方程式 2)。

  

升压切换阶段的电流波形

 

  图 10:升压切换阶段的电流波形

  转移操作

  如果输入与输出电压非常接近,单独使用基本的降压或升压模式,都无法维持由封闭回路控制的稳定输出电压。一项可能的作法,就是在特定的输入电压水平,切换不同模式(为了稳定性,电压阈值具有磁滞现象)。另一种方式可能要以交替切换频率周期的做法,共同操作降压与升压模式,以确保稳定的输出电压及良好的瞬时响应。

  

不同操作阶段与模式中的电流及电压波形

 

  图 11:不同操作阶段与模式中的电流及电压波形

  结论

  很多产品可以协助客户解决 12V 板网电压范围宽广延伸的挑战,如冷启动状况、负载突降,或电池耗尽等等。例如TI的TPIC74100 这类完全整合的 5V 1A 升降压转换器,可以维持稳定的输出电压,也不需要昂贵笨重的变压器型电感,因此可以确保应用装置在各种电池电压的状况下,进行完整操作。