汽車電子自適應(yīng)頻率調(diào)制DC/DC降壓變換器的開發(fā)策略

目前，高頻、高效的DC/DC轉(zhuǎn)換器在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多。高開關(guān)頻率可以使用較小的功率電感和輸出濾波電容，從而減小系統(tǒng)的體積，提高緊湊性并降低成本。高工作效率可以延長(zhǎng)汽車電池的使用時(shí)間，降低系統(tǒng)功耗，從而減少發(fā)熱量，優(yōu)化系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)并進(jìn)一步提高可靠性。但高開關(guān)頻率會(huì)降低系統(tǒng)的工作效率。因此設(shè)計(jì)汽車電子應(yīng)用的DC/DC降壓變換器時(shí)必須在開關(guān)頻率和工作效率之間作一些折衷處理。

DC/DC降壓變換器的最高開關(guān)頻率受限于DC/DC的最高輸入電壓、最低輸出電壓和功率管的最小開啟時(shí)間，理論極限值可以由下式計(jì)算：

公式1

其中fSW(MAX)為最大的開關(guān)頻率，tON(MIN)為開關(guān)管要求的最小導(dǎo)通時(shí)間，VD是續(xù)流二極管的正向壓降，VOUT為正常工作的輸入電壓，VSW為開關(guān)管的導(dǎo)通壓降。上式表明tON(MIN)一定時(shí)，低占空比要求更低的開關(guān)頻率才能保證系統(tǒng)安全的操作，同樣低開關(guān)頻率容許更低的輸出輸入電壓比值。輸入電壓依賴于開關(guān)頻率的主要原因在于PWM控制器具有最小的導(dǎo)通時(shí)間tON(MIN)和截止時(shí)間tOFF(MIN)。如果取值為100ns,即開關(guān)管開通時(shí)的導(dǎo)通時(shí)間至少要持續(xù)100ns,低于100ns可能導(dǎo)致功率管MOSFET無法正常開啟。同樣開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的截止時(shí)間至少要持續(xù)100ns,低于100ns可能導(dǎo)致MOSFET無法正常關(guān)斷。這意味著最小和最大占空比為：

公式2

這里fSW是開關(guān)頻率，tON(MIN)是最小的導(dǎo)通時(shí)間和tOFF(MIN)是最小的截止時(shí)間。

上式表明開關(guān)頻率降低時(shí)，占空比的范圍增加。輸入輸出的電壓范圍也可以增加。優(yōu)化的開關(guān)頻率可以保證系統(tǒng)在電感和電容值盡可能小的情況下能夠具有足夠?qū)挼妮斎牍ぷ麟妷悍秶?/p>

通常DC/DC電源芯片的輸入電壓有額定的工作電壓范圍。除了額定工作電壓的限制，實(shí)際的輸入電壓還受到其他一些條件的限制，最小的實(shí)際輸入工作電壓通常由最大的占空比決定。在輸入電壓最高時(shí)，占空比最小，所以在輸出電壓一定的條件下最大的實(shí)際輸入工作電壓由PWM控制器的最小占空比決定。tON(MIN)是每個(gè)控制器能夠接通高端MOSFET的最短持續(xù)時(shí)間。它由內(nèi)部定時(shí)延時(shí)以及接通高端MOSFET所需要的柵極電荷量決定，低占空比的應(yīng)用可以接近該最短導(dǎo)通時(shí)間限制。

通常DC/DC電源芯片的開關(guān)頻率是固定的，但是如果我們可以在輸入電壓增加時(shí)降低開關(guān)頻率，就可以擴(kuò)大占空比的范圍，從而在保證輸出電壓精度的條件下擴(kuò)大輸入電壓的范圍。在很多DC/DC電源芯片中，通過一個(gè)管腳對(duì)地接一個(gè)電阻來設(shè)定DC/DC的開關(guān)工作頻率。一個(gè)典型的應(yīng)用電路如圖1所示。

圖1: 一種典型的DC/DC應(yīng)用電路

LT3980的RT腳對(duì)地接一個(gè)97.6K的電阻，設(shè)定LT3980的工作頻率為固定的400KHz,RT電阻為32.4K時(shí)的工作頻率則為1MHz.在這種使用外部電阻設(shè)置開關(guān)頻率的DC/DC變換器中，可以加一個(gè)穩(wěn)壓管Z1和限流電阻R1用以在輸入電壓增加時(shí)降低開關(guān)頻率。

圖2: 通過外接電阻和穩(wěn)壓管調(diào)整DC/DC穩(wěn)壓器的典型電路

在高輸入電壓下，由于頻率降低，而電感值又一定，所以輸出的電流和電壓紋波增加。頻率在較寬的范圍內(nèi)變化時(shí)，電感無法優(yōu)化地工作，環(huán)路的補(bǔ)償也無法優(yōu)化。這樣我們就需要在圖2的電路中增加R2和Z2來限制頻率的變化范圍。外接電阻的方法需要系統(tǒng)工程師作仔細(xì)的計(jì)算，而且容易受到寄生參數(shù)的影響。這里我們通過內(nèi)部電路檢測(cè)輸入電壓的變化自動(dòng)調(diào)整開關(guān)頻率，簡(jiǎn)化應(yīng)用電路設(shè)計(jì)。

(一)電流控制模式的DC/DC降壓變壓器

圖3是電壓控制模式的DC/DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中，EA為誤差放大器，PWM為PWM比較器，Soft start為軟啟動(dòng)模塊，Band gap reference為帶隙基準(zhǔn)源，OSP為降頻保護(hù)電路，Oscillator為振蕩器，Logic Latch為邏輯觸發(fā)器，Driver為驅(qū)動(dòng)開關(guān)管PMOS的驅(qū)動(dòng)電路，OCP為過流保護(hù)，UVLO為欠壓保護(hù)，OTP為過熱保護(hù)。

圖3: 電壓控制模式的DC/DC降壓變換器原理框圖

電路采用具有降頻功能的電壓型PWM控制模式，輸出電壓誤差小。在圖中，PWM控制部分是由誤差放大器和PWM比較器組成，反饋電壓和基準(zhǔn)電壓比較后，放大差值以產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)，并經(jīng)過一定的零級(jí)點(diǎn)補(bǔ)償后，提供到PWM比較器的一端輸入，同時(shí)比較器的另一端輸入是振蕩器電路提供的一定頻率的脈沖時(shí)鐘信號(hào)。

這個(gè)信號(hào)將被傳輸?shù)胶蠖说倪壿嬰娐凡糠?，該部分包括RS觸發(fā)器，以及包含多種保護(hù)信號(hào)的相關(guān)邏輯，它通過接通和斷開驅(qū)動(dòng)電路來控制電源開關(guān)的狀態(tài)，從而設(shè)置變換器的工作頻率，設(shè)定功率管的最大占空比。圖中OSP比較器，主要作用是，當(dāng)輸出電壓過低，效率下降時(shí)，經(jīng)過OSP信號(hào)控制振蕩器，以降低PWM比較器輸入端的時(shí)鐘信號(hào)，從而在相同情況下提高變換器的轉(zhuǎn)換效率。

電路中采用雙電源，Vdd由輸入電壓Vcc通過一個(gè)高壓線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換而成，為3.3V,而Vcc為輸入高電壓，用于供給使能遲滯電路、帶隙基準(zhǔn)源、Vdd生成電路、過流保護(hù)以及驅(qū)動(dòng)電路，這些電路中的MOS管，采用高壓DMOS器件，防止擊穿;而其他與輸入電壓無關(guān)的電路，則有Vdd供給，其中的MOS管，采用CMOS器件。