汽车电子应用中的冷启动设计和实现

    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。

　　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方案中简单、节省成本的选择之一。然而的缺点是，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。

　　图 1：基本的降压转换器

　　设计降压转换器并不是件轻松的工作。许多使用者都希望转换器是一个盒子，一端输入一个直流电压，另一端输出另一个直流电压。这个盒子可以有很多形式，可以是降阶来产生一个更低的电压，或是升压来产生一个更高的电压。还有很多特殊的选项，如升降压、反激和单端初级电感转换器（SEPIC），这是一种能让输出电压大于、小于或等于输入电压的DC-DC转换器。如果一个系统采用交流电工作，个AC-DC模块应当产生系统所需的的直流电压。因此，使用广的器件是降压转换器。

　　使用开关稳压器的降压转换器具有所有转换器当中的效率。高效率意味着转换过程中的能量损耗更少，而且能简化热管理。

　　同步降压指的是MOSFET用作低边开关。相对应的，标准降压稳压器要使用一个肖特基二极管做为低边开关。与标准降压稳压器相比，同步降压稳压器的主要好处是效率更高，因为MOSFET的电压降比二极管的电压降要低。低边和高边MOSFET的定时信息是由脉宽调制（PWM）控制器提供的。控制器的输入是来自输出端反馈回来的电压。这个闭环控制使降压转换器能够根据负载的变化调节输出。PWM模块的输出是一个用来升高或降低开关频率的数字信号。该信号驱动一对MOSFET。信号的占空比决定了输入直接连到输出的导通时间的百分比。因此，输出电压是输入电压和占空比的乘积。

　　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。

　　

　　图 3：异步升降压转换器

　  选择IC

　  上面提到的控制环路使降压转换器能够保持一个稳定的输出电压。这种环路有几种实现方法。简单的转换器使用的是电压反馈或电流反馈。这些转换器很耐用，控制方式很直接，而且性价比很好。由于降压转换器开始用于各种应用中，这种转换器的一些弱点也开始暴露出来。以图形卡的供电电路为例。当视频内容变化时，降压转换器上的负载也会变化。供电系统能应付各种负载变化，但在轻负载条件下，转换效率降得很快。如果用户关心的是效率，就需要有更好的降压转换器方案。

　　一种改进方法是所谓的磁滞控制，Intersil的ISL62871就是采用这种控制方法的器件。转换效率与负载的曲线如图2所示。这些转换器是针对差工作条件设计的，因此轻负载不是持续的工作条件。这些DC-DC转换器对负载波动变化的适应性更好，并且不会严重影响系统效率。

图2，Intersil ISL62871的负载与效率曲线，Vout=1.1V

　　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)。

　　

 

　　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。

　　

　　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)。

　　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。

　　

　　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。

　　

 

　　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。

　　

　　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。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)。

　　

 

　　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。

　　

　　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。