如何应对汽车电子应用中的冷启动状况

     从冷启动到负载突降，升降压转换器可以在所有汽车电池电压的范围内，提供稳定不中断的电压。

　　对12V 汽车板网的电压老说，其变化幅度大，可以说是汽车电子应用的一大挑战。电压范围可由 3.5V 至 28V (45V)，因此线性电压调节器以及降压或升压DC/DC转换器等简单的电源方案，无法保证一定能提供电子控制单元 (ECU) 所需的电压。升降压转换器拓朴可以突破这个困境。这种拓扑不需要使用磁耦合线圈，例如 SEPIC 或返驰转换器这类的变压器，并能提供低成本且具有弹性的系统方案。

　　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存在不足的问题，因此必须转换至正确的水平。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。由于线性方案无法产生高于输入电压的输出电压，因此本文将着重于切换式稳压器的讨论。

　　常使用的拓朴为降压转换器，如图 1所示。这种转换器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方案中非常简单、节省成本的选择。但这种方法也存在缺点，即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，如图 2所示。这种拓朴与降压转换器所需的组件相似，但是可以产生高于输入电压的输出电压。

图 1基本的降压转换器

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，例如启动时可低至 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。这个问题可以通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，对客户来说没有太大吸引力。

　　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，并在同一个拓朴中将降压与升压转换器相结合。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。

图 3异步升降压转换器、

　　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，结合了两种不同拓朴的异步升降压转换器需要使用两组开关及二极管，如图 3所示。为了提升整体效能，可以用开关取代二极管，如图4所示，现在的拓朴结合电感看起来类似于完整的 H 桥。

图 4同步升降压转换器图

　　这些装置的一般功能，可再细分为三种操作模式：输入电压高于输出电压时的降压模式；输入电压低于输出电压的升压模式；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，关闭 A1 开关，以对电感充电，如图 5所示。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。

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，如图 6所示。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）。

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 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，同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。

　　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，B2 开关关闭，以对电感充电，如图7所示。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。

图7    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，如图8所示。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。

图8   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。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，如方程式 2。

　　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（为了提高稳定性，电压阈值具有磁滞现象）。另一种方式可能要用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，如图9所示。

图9  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。例如像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。