汽車電子系統(tǒng)降壓型BUCK 變換器的設(shè)計技巧

圖4：輸入為22uF電解電容并聯(lián)4.7uF陶瓷電容的響應(yīng)

　　在輸入端加一個0.7歐姆的串聯(lián)電阻也可以減小電壓過沖，同時減小峰值的電流，0.1uF小的陶瓷電容濾除高頻紋波。如圖5（a）所示。

　　與電解電容方法相比，這種方法體積小成本低，在高的輸入電壓時對系統(tǒng)的效率影響并不大。但輸入電壓相對較低時，系統(tǒng)的效率略有降低。

（a）

(b)

圖5：輸入加串聯(lián)電阻的響應(yīng)

　　3 散熱設(shè)計

　　功率MOSFET 選擇標(biāo)準(zhǔn)中包含導(dǎo)通電阻R DS （ON ） ，密勒電容C MILLER ，輸入電壓和最大電壓和最大輸出電流。CMILLER 可由MOSFET 的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手則給出的柵極充電曲線近似求出。C MILLER 等于柵極電荷沿橫軸的增加，而曲線大約由VDS 的規(guī)定變化水平分割，然后由此結(jié)果與應(yīng)用中施加的VDS 和柵極的充電曲線規(guī)定VDS 比值相乘。工作CCM 時高端和低端的MOSFET 占空經(jīng)由下式給出：

　　主開關(guān)管占空比：D= VOUT /VIN。

　　同步開關(guān)管占空比：V IN -VOUT /VIN 。

　　最大輸出電流條件下MOSFET 的功耗由下式給出：

　　式中：δ是R DS （ON ） 的溫度系數(shù)，R DR約為4 歐姆，是在MOSFET 密勒門限電壓條件下有效驅(qū)動電阻，V THMIN是典型的MOSFET 的最小門限電壓。

　　兩個MOSFET 均具有I2R 損耗，而高端N 溝道的公式中包含一個用于計算轉(zhuǎn)換損耗的附加項，這在高輸入電壓條件最大。當(dāng)VIN20V時采用較大的MOSFET 通常可提高大電流的效率，而當(dāng)VIN>20V 時轉(zhuǎn)換損耗迅速增加。這時采用具有較高R DS （ON ）器件和較低C MILLER實際上可提供更高的效率。同步MOSFET 在高輸入電壓下，當(dāng)高端工作于低占空比時或短路期間，同步管接近100%時間里處于導(dǎo)通狀態(tài)時，此時損耗最大。1+δ 項通常以一個歸一化的R DS （ON ） 與溫度的關(guān)系曲線形式提供給MOSFET，但對于低壓MOSFET，δ =0.005/℃可被用作一個近似值。

　　肖特基二極管在兩個功率MOSFET 導(dǎo)通期間的死區(qū)導(dǎo)通，可以防止低端MOSFET 的體內(nèi)二極管導(dǎo)通，在死區(qū)時間儲存電荷，形成反向恢復(fù)。在高VIN 條件下會導(dǎo)致效率減小至少3%。由于流過的平均電流相對較小，因此采用1 或3A 的肖特基二極管是一個較好的方案。

　　較大的二極管因其具有的結(jié)電容較大故會產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)換損耗。

　　效率與芯片的最高工作溫度相關(guān)。汽車電子所用的芯片通常為I或H級，對于I級，芯片的結(jié)溫必須小于125°C，對于H級，芯片的結(jié)溫必須小于150°C。對于許多單芯片的BUCK控制器，在低的環(huán)境溫度下，結(jié)溫一般不是問題。但對于I級，環(huán)境溫度高于85°C時，必須小心仔細的進行電路的設(shè)計以保證芯片能夠充分的散熱。對于H級，環(huán)境溫度高于125°C時，必須對最大的允許工作電流進行降額設(shè)計。

　　結(jié)溫通過芯片的功率損耗乘以結(jié)到環(huán)境的熱阻Rja進行計算。滿載時芯片的溫升幾乎完全不依賴于輸入電壓，不加散熱器時，熱阻取決于PCB的設(shè)計。在單芯片底部通常有一個裸露的襯墊，因此設(shè)計PCB時必須在對應(yīng)的位置也相應(yīng)的制作這樣的一個大銅皮焊盤，同時這個大焊盤通過一些過孔連接到其它的地層平面，以利于散熱。

　　4 輸入短路和反接保護

　　如果電感的飽和電流足夠大，BUCK控制器短路時由于具有短路保護功能，因此不會產(chǎn)生損壞。在一些電池充電系統(tǒng)中以及用電池作備份的系統(tǒng)中，電池以及其它的一些電源通過二極管以“與”的形式一起共同連接到BUCK控制器的輸出端時，當(dāng)BUCK控制器輸入端斷開時，輸出端仍有高的電壓。注意到BUCK控制器通常有一個/SHDN管腳到控制系統(tǒng)的工作與關(guān)斷，低電平有效，通常以作SS軟起動功能。一般此管腳通過一個電阻或直接連接到輸入端。當(dāng)輸入端浮空時，輸出電壓通過電感，內(nèi)部高端的MOSFET反向并聯(lián)寄生二極管到輸入端，/SHDN管腳為高電平，這樣，BUCK控制器內(nèi)部的電路通過電感從輸出電壓吸取幾個毫安的靜態(tài)的工作電流，影響電池的使用時間。當(dāng)然如果/SHDN管腳為低電平，則此靜態(tài)的工作電流為0。如果輸入短路，輸出電壓通過電感，內(nèi)部高端的MOSFET反向并聯(lián)寄生二極管到輸入端，從而導(dǎo)致輸出電壓也短路，這樣電池將會快速的放電。下圖就是防止電池在輸入短路狀況下反向放電的保護電路，D4也防止輸入的反接，只有在有輸入電壓里系統(tǒng)才工作。

圖6：防止輸入短路時輸出備份電池反向放電電路

　　結(jié)論

　　1 合適的開關(guān)頻率可以保證系統(tǒng)具有足夠的輸入工作電壓范圍，同時使電感和電容的尺寸和體積最小。

　　2 實際最大的輸入工作電壓由MOSFET所要求的最短導(dǎo)通時間決定，實際最小的輸入工作電壓由MOSFET所要求的最短關(guān)斷時間決定。

　　3 必須抑制輸入瞬態(tài)電壓，檢查散熱設(shè)計，增加輸入短路和反接保護電路才能保證系統(tǒng)的安全工作。