可靠的車載電源管理設計 拋負載和冷啟動問題的解決

　　車載電源管理的要求正變得愈加苛刻，其要求電源能夠工作在更寬泛的輸入電壓范圍、更高的電流及更高的溫度極值條件下。這些要求將使開關模式電源設計成為主流，因為這種電源設計具有更大的靈活性、更優(yōu)異的可配置性和更高的散熱效率。

　　開關模式的電源的核心組件是 DC-DC 轉換器。今天的車載轉換器必須能夠支持各種運行條件，例如：低壓運行（也就是冷啟動）和正瞬態(tài)生存性 (positive transient survivability)（也就是抑制或未抑制的拋負載狀態(tài)）。車載子系統(tǒng)的出現(xiàn)所帶來的更高負載需求使得這些數據的設計變得更為復雜。本文將給設計者提供一個關于車載電源需求的簡要介紹，并且介紹一款由 TI 最近推出的新型 DC-DC 轉換器 TPIC74100。

瞬態(tài)保護

　　拋負載

　　幾乎所有直接連接至汽車電池的電子組件和電路都要求保護，以免于受到抑制、瞬態(tài)電壓（高達60V）和反向電壓狀態(tài)的損害。對于這些電子電路而言，必須能夠經受住電源線路上一定程度的過電壓，這也是種常見的要求。對于那些要求任何特殊車載電子系統(tǒng)的主電源輸入均能夠在各種不同瞬態(tài)電壓狀態(tài)（包括交流發(fā)電機拋負載）下工作的車載系統(tǒng)來說尤為如此。

　　由于交流發(fā)電機控制環(huán)路關閉的速度不夠快，因此，在將電池電壓去除掉時，其會產生一個高輸出電壓脈沖。正常情況下，在汽車某個中央位置，這種高能脈沖被控制（或抑制）在一個較低的電壓范圍內。但是，汽車制造商還是給其供應商規(guī)定了在其電源輸入端可能出現(xiàn)的剩余過電壓。這種情況在不同轎車廠商中有所差異，但是轎車的標準峰值大約為 40V，而商務車的標準峰值則大約為 60V。一個典型拋負載脈沖的持續(xù)時間為十分之幾秒，下圖（圖 1）顯示了該拋負載狀態(tài)下的典型脈沖。

　　儀表板應用中的冷啟動

　　車載環(huán)境對于電源管理芯片的需求正日益增加。這些需求之一便是需要電源管理 IC 能夠在一個寬電壓偏移范圍內工作，直接連接至電池的電子系統(tǒng)通常都會有這種電壓偏移范圍。通過觀察該冷啟動脈沖，可以描述出此類瞬態(tài)的一個實例。這種狀態(tài)可發(fā)生在寒冷環(huán)境下車輛的第一次啟動。如果溫度足夠低（冷卻至零攝氏度），那么引擎的油就會變得粘稠，通過要求提供更高的功率（扭矩），這就對馬達提出了重負載要求。這樣就需要能夠提供更高電流的電池。重負載需求可以在該點火周期內將電池電壓立刻下拉至 3V。

　　我們所面臨的挑戰(zhàn)是，一些應用必須在該過程中保持運行。這些應用并非只限于動力傳動系 ECU 或者安全苛求的應用，在一些集群和信息娛樂子系統(tǒng)中也同樣可以看到這些應用的蹤影。當出現(xiàn)該狀態(tài)時，電源管理芯片必須對輸入電壓進行升壓，以便保持正確的調節(jié)輸出電壓，從而使這些電子系統(tǒng)可以正確地發(fā)揮作用。

　　可用于升壓∕降壓轉換的拓撲結構包括若干種類：SEPIC（單端初級電感轉換器），或一種純降壓∕升壓轉換器。

SEPIC 轉換器
　　
　　SEPIC 轉換器提供了一種降壓轉換，直到輸入電壓等于或者降到輸出電壓電平之下。然后，其將提供升壓轉換，直到電池電壓降至最小容許輸入電壓的電平。使用 SEPIC 的一個主要弊端是，它需要一個單耦合電感器（變壓器）或者兩個單獨電感器，以及一個耦合電容器，如圖 3 所示。

　　這些電感器和線圈的體積均較大，需要占用更多的 PCB 空間。在那些必須保持體積尺寸和板級空間的應用中，這種情況就更加不適宜。