汽車電子應(yīng)用中的冷啟動(dòng)

對(duì)于許多汽車環(huán)境中的應(yīng)用與ECU來說，由電池及發(fā)電機(jī)所提供的電壓會(huì)有不足的問題，首先必須轉(zhuǎn)換至正確的電壓水平。一般會(huì)使用DC/DC切換式電壓調(diào)整器與線性穩(wěn)壓器來達(dá)成這個(gè)目標(biāo)。本文將著重于切換式穩(wěn)壓器的討論，因?yàn)榫€性方案無法產(chǎn)生高于輸入電壓的輸出電壓。

　　最常使用的拓樸為降壓轉(zhuǎn)換器(圖 1)，只需要單一電感以及一組二極管與開關(guān)，就可以達(dá)成切換式DC/DC方案中最簡單、最節(jié)省成本的選擇之一。然而唯一的缺點(diǎn)是，這種方法只能產(chǎn)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(zhuǎn)換器(圖 2)。這種拓樸所需的組件相似，但是可以產(chǎn)生高于輸入電壓的輸出電壓。

　　圖 1：基本的降壓轉(zhuǎn)換器

　　圖 2：基本的升壓轉(zhuǎn)換器

　　由于汽車板網(wǎng)電壓的變動(dòng)幅度相當(dāng)大(啟動(dòng)時(shí)可低至 3.5V，在箝位負(fù)載突降期間也可高至 45V)，因此在有些ECU的應(yīng)用中，一定會(huì)產(chǎn)生輸入與輸出電壓互相跨越的情形。啟動(dòng)過程中(發(fā)動(dòng)引擎)絕不允許突然失能，特別是動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用或某些導(dǎo)航及信息娛樂系統(tǒng)，這個(gè)問題可以透過使用返馳轉(zhuǎn)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(duì)客戶來說較不具吸引力。

　　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(shè)計(jì)，在同一個(gè)拓樸中，結(jié)合了降壓與升壓轉(zhuǎn)換器。兩種不同模式間的無縫轉(zhuǎn)換，可以在所有輸入電壓狀況下，產(chǎn)生穩(wěn)定不中斷的輸出電壓。

　　圖 3：異步升降壓轉(zhuǎn)換器

　　在此結(jié)合了兩種不同的拓樸，因此相較于使用一組開關(guān)及二極管的單純降壓或升壓方式，異步升降壓轉(zhuǎn)換器需要使用兩組開關(guān)及二極管(圖 3)。為了提升整體效能，可以用開關(guān)取代二極管， 現(xiàn)在的拓樸結(jié)合電感看起來類似于完整的 H 橋(圖 4)。

　　圖4 開關(guān)取代二極管

　　這些裝置的一般功能，可再細(xì)分為三種操作模式:

　　1.輸入電壓高于輸出電壓時(shí)的降壓模式

　　2.輸入電壓低于輸出電壓的升壓模式

　　3.輸入電壓在輸出電壓范圍中的轉(zhuǎn)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電壓，在功能上類似于基本的降壓拓樸。在降壓模式中，轉(zhuǎn)換器的升壓開關(guān)(B1 與 B2)不會(huì)進(jìn)行切換，B1 開關(guān)一定處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣可讓電流由電感流至輸出電容器。B2 開關(guān)一定要開啟，以免造成輸出至接地 (GND) 的短路。

　　在切換為「導(dǎo)通時(shí)間」時(shí)，會(huì)關(guān)閉 A1 開關(guān)，以對(duì)電感充電(圖 5)。在此周期中，電流由輸入處流經(jīng) A1 開關(guān)、線圈以及 B1 開關(guān)，并進(jìn)入輸出電容器。

　　圖 5：導(dǎo)通階段的降壓轉(zhuǎn)換器電流流向

　　在周期的第二階段中(關(guān)閉時(shí)間)，A1 開關(guān)會(huì)開啟，A2 開關(guān)則會(huì)關(guān)閉(圖 6)。充磁線圈會(huì)迫使電流由 GND 流經(jīng) A2 開關(guān)、線圈、B1 開關(guān)，然后進(jìn)入輸出電容器(又稱為飛輪)。

　　圖 6：飛輪階段的降壓轉(zhuǎn)換器電流流向

　　在異步拓樸中，以二極管取代了 A2 開關(guān)作為被動(dòng)飛輪組件。這可減少驅(qū)動(dòng)器與場效晶體管 (FET) 的使用數(shù)量，但是也降低了轉(zhuǎn)換器的效能。在此操作中的切換負(fù)載周期，其依據(jù)為方程式 1 所示的輸入輸出電壓比。

　　圖 7：降壓切換階段的電流波形