車用啟停系統(tǒng)電源設(shè)計

摘要：在汽車自動啟停系統(tǒng)中，起動機工作時12 V系統(tǒng)的鉛酸起動電池電壓可能降至6.0 V或更低，從而造成汽車電器系統(tǒng)的不穩(wěn)定工作，甚至可能造成系統(tǒng)的重啟動或損壞;使整車的舒適性和可靠性降低。為了使電器設(shè)備在小于6.0 V的供電條件下，保持主要電路模塊的穩(wěn)定和可靠工作，本文設(shè)計了三種汽車電器設(shè)備電源系統(tǒng)方案，提出部分參考應(yīng)用實例，有效的解決了汽車電器設(shè)備在發(fā)動機起動過程中工作電壓不穩(wěn)定的問題。

石油價格不斷攀升、全球氣候環(huán)境不斷惡化，更加突出了汽車產(chǎn)品開發(fā)中節(jié)能環(huán)保技術(shù)是當今全球汽車業(yè)所面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。同時，現(xiàn)在城市交通問題已經(jīng)成為社會關(guān)注的焦點問題，堵車時間也越來越長。堵車時，汽車停在原地，發(fā)動機怠速工作，將產(chǎn)生燃油消耗和排放污染。國內(nèi)外典型市區(qū)工況，怠速油耗(怠速時間)占總油耗(總行車時間)的比例十分可觀。如歐洲城市道路行車工況(ECE)，車輛平均停車怠速時間約占總行車時間的28%，怠速油耗約占總油耗的17%。

為了控制發(fā)動機燃油消耗，許多汽車制造商在下一代汽車發(fā)動機系統(tǒng)中實現(xiàn)了“自動啟停”功能，自動啟停功能是：在堵車和等紅燈時，發(fā)動機可以自動熄火，起步時再點火，從而降低發(fā)動機怠速空轉(zhuǎn)時間，減少不必要的燃油消耗，降低排放。

1 發(fā)動機啟動時電池電壓特性

這種系統(tǒng)也給汽車電器設(shè)備的電源設(shè)計帶來了一些獨特的工程技術(shù)挑戰(zhàn)，因為在發(fā)動機起動時電池電壓可能降至6.0 V或更低，如圖1所示L點。LDO線性穩(wěn)壓器大量應(yīng)用于汽車電子控制器，它在工作電流、最小輸入輸出壓差、噪聲及封裝等方面的改進使其成為增長最多和最快的產(chǎn)品。LDO線性穩(wěn)壓器只有在輸入電壓大于輸出電壓一定數(shù)值時，系統(tǒng)才具有保證輸出穩(wěn)定的能力。當輸入電壓減小到某一臨界值時，系統(tǒng)失去對輸出電壓的調(diào)整能力。

另外，典型的電源模塊都包含有一個反極性的二極管，用于在汽車搭線啟動又意外將搭線接反時保護汽車電路。這個二極管會使電池電壓再降低約0.5 V，因此可供下游電路使用的電壓只有5.5 V甚至更低。由于許多關(guān)鍵模塊(如單片機，CAN模塊)仍然需要5 V電源供電，因此基本上沒有了余量，很難保證電路正常工作。

2 一般汽車電器設(shè)備電源模型

傳統(tǒng)的汽車電器電源架構(gòu)如下：

在汽車自動啟停系統(tǒng)發(fā)動機起動的過程中，上圖中的A點電壓會低到6 V或更低;在防反接保護電路中有快反二極管，二極管的壓降在0.5 V左右，所以B點的電壓會低到5.5 V或更低;而LDO的最小輸入電壓要求是5.5 V;如果小于5.5 V，控制系統(tǒng)得不到穩(wěn)定的5 V電壓，不能正常工作。所以傳統(tǒng)的汽車電器設(shè)備電源結(jié)構(gòu)不適用于自動啟停系統(tǒng)。

3 自動啟停系統(tǒng)電源解決方案

3.1 降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源方案

典型的降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源如圖3所示。

該模塊可以實現(xiàn)反壓保護、降壓和穩(wěn)壓3個重要功能，PWM是該電路實現(xiàn)降壓和穩(wěn)壓的關(guān)鍵模塊，有兩種實現(xiàn)方法：1)分立器件實現(xiàn)，比較器、運放等器件;2)專用開關(guān)電源控制集成IC，UC3842、NCV8852等。

該電路優(yōu)點有：電源效率比LDO高;發(fā)熱低;輸入電壓低至5.5 V，電路可以正常工作。但是也有一定的缺點：集成度低;當電壓更低(低于5.5 V)時，系統(tǒng)無法正常工作。

3.2 前預(yù)置升壓電源方案

前預(yù)置升壓5 V穩(wěn)壓電源的方案如圖4所示。

該方案中采用BOOST升壓電路(如圖4虛線框中所示)，在車輛起動的過程中電源低于設(shè)定值(5.5 V)時，前預(yù)置BOOST電路起作用，使OUT1點電壓為設(shè)定值，該設(shè)計值由R1和R2的值來確定。從而使LDO的輸入滿足輸出OUT2(5 V)的要求。另外，要特別注意：OUT1的設(shè)定值不應(yīng)過大，過大會使LDO的效率大大降低，從而降低整個電源的工作效率。該方案中PWM模塊一般采用集成電源控制器IC實現(xiàn)，LM3478、NCV8871等是常用的開關(guān)電源控制IC;D1是防反二極管，D2是BOOST電路的整流二級管，D1和D2一般采用肖特基二極管，壓降約為0.5 V。

從上面的分析和圖4可知：該電源的最小輸入電壓IN為4 V時，OUT2的輸出可以達到5 V。完全可以滿足車輛自動啟停控制系統(tǒng)的要求。

3.3 改進型的前預(yù)置升壓電源方案

改進型的前預(yù)置升壓5 V穩(wěn)壓電源的方案如圖5所示。

該方案中在圖4方案的基礎(chǔ)上，加入了前預(yù)置升壓電路的使能控制。在IN的電壓大于5.5 V的情況下，OUT1的電壓會隨著IN電壓的變化;前預(yù)置升壓電路不需要提高OUT1的電壓;在這種情況下，BOOST電路IC還在正常運行，增加系統(tǒng)的功耗。為了降低系統(tǒng)的工作時的能耗損失，通過控制單元ECU使BOOST電路進入休眠狀態(tài)，或者通過檢測電源的方式使BOOST電路進入休眠狀態(tài);大約降低10mA的損失。通過這種有效的電源管控，從而提高汽車啟?？刂葡到y(tǒng)效率，節(jié)省能源。NCV88756等是常用的開關(guān)電源控制IC。

4 LDO選型及外圍電路

以上介紹了各電源方案的拓撲結(jié)構(gòu)，作為LDO的輸入解決方案，下面簡單介紹下具體LDO的選型及其外圍電路。

在選擇LDO時，需要考慮的基本問題包括輸入電壓范圍、預(yù)期輸出電壓、負載電流范圍以及其封裝的功耗能力。如NCV4275，有輸出為3.3 V及5 V線性穩(wěn)壓芯片，根據(jù)輸入電壓范圍、輸出電壓、輸出電流及精度選擇。NCV4275相關(guān)參數(shù)如下：輸入電壓5.5～45 V，輸出電壓3.3 V和5.0 V，輸出電流：450 mA，輸出精度：2%。

負載電流：考慮負載需要的電流量并據(jù)此選擇LDO。需要注意的是.額定電流為比如150 mA的LDO可能會在短時間內(nèi)提供高出很多的電流。請查驗最低輸出電流限值規(guī)范，或者咨詢有關(guān)廠商。

封裝與功耗：一般來說，封裝尺寸越小，功耗越小。請注意不要超過封裝的最大功耗額定值。功耗可以采用P=(VIN—VOUT)/(IOUT+IQ)進行計算。

輸出電容器：典型LDO應(yīng)用需要增加外部輸入和輸出電容器。選擇對電容器穩(wěn)定性方面沒有要求的LDO，可以降低尺寸與成本，另外還可以完全消除這些元件。利用較低ESR的大電容器一般可以全面提高PSRR、噪聲以及瞬態(tài)性能。陶瓷電容器通常是首選，因為它們價格低而且故障模式是斷路，相比之下鉭電容器比較昂貴且其故障模式是短路。為了增強濾波效果，經(jīng)常會使用大容量的電解電容。

5 結(jié)論

文中給出了3種自動啟停系統(tǒng)電源解決方案，并針對LDO的選擇做出說明，可滿足汽車電器設(shè)備各種工況下的要求。試驗證明在發(fā)動機起動期間，電池電壓低于6 V時，這三種設(shè)計方案完全可以滿足在該工況汽車電器設(shè)備主控單元的正常工作。

另外，汽車中大量使用了電子系統(tǒng)和半導體器件，比如說晶體管、微處理器和二極管等。其中，5 V穩(wěn)壓電源大量應(yīng)用于各電路和微處理器中。本文的解決方案除了應(yīng)用于啟停系統(tǒng)，也適用于很多其它的汽車電子系統(tǒng)。