簡(jiǎn)單低成本的汽車?yán)鋯?dòng)預(yù)升壓器

汽車制造商們希望在越來(lái)越多的新車型中配備自動(dòng)啟停功能。但是，該功能對(duì)汽車電子設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诤涞奶鞖庵袉?dòng)電機(jī)會(huì)使電池電壓降至3V，這被稱為“冷啟動(dòng)（Cold Crank）”。

大多數(shù)12V汽車系統(tǒng)的功率級(jí)都由一個(gè)降壓變換器組成，這個(gè)變換器通常將輸出電壓調(diào)節(jié)至5V或3.3V。即使調(diào)節(jié)器以低壓差模式開始工作，大多數(shù)電路也會(huì)受到輸入電壓跌落的影響，并且可能會(huì)停止工作。

本文以典型的5V，5W至15W電源為例，討論預(yù)升壓如何完美地解決該問(wèn)題。

在這個(gè)示例中，我們的目標(biāo)是，不管輸入電壓如何變化，都將功率級(jí)的輸出電壓保持在恒定水平。此同時(shí)要記住，冷啟動(dòng)只會(huì)在總工作時(shí)長(zhǎng)的很小一段時(shí)間內(nèi)影響系統(tǒng)，這意味著好的解決方案需要綜合考慮成本，效率和EMI。

圖1：MPS預(yù)升壓演示板對(duì)冷啟動(dòng)電壓瞬變的響應(yīng)（測(cè)試條件：VO = 5V, IO = 1.5A）

預(yù)升壓電路是個(gè)升壓變換器，它串聯(lián)在降壓變換器之前。顧名思義，當(dāng)降壓變換器的輸入電壓降低到設(shè)定值以下，預(yù)升壓電路工作，將其輸入電壓維持在設(shè)定值。這樣，降壓變換器就可以具有穩(wěn)定的輸入電壓，并可以將其輸出正確地調(diào)節(jié)到恒定的水平，而與電池電壓的瞬變無(wú)關(guān)。 圖1 顯示出，帶預(yù)升壓時(shí)，系統(tǒng)的輸出電壓不受輸入軌擾動(dòng)的影響。

這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，在汽車應(yīng)用中會(huì)使用的輸入差模濾波電感和防反二極管可以復(fù)用作預(yù)升壓電路的功率電感和續(xù)流二極管，這樣無(wú)需增加額外的元件和電路板空間，有助于節(jié)省成本，同時(shí)也不影響效率和EMI性能。

圖2 顯示了典型的降壓變換器電路。在此電路中，D1二極管用于保護(hù)系統(tǒng)免受反極性電池連接的影響。C1、C2和L1形成用于抑制傳導(dǎo)EMI的π（pi）型濾波器。C3是濾波器和變換器之間的阻尼電容器。 C4、C5、L2和降壓IC構(gòu)成降壓變換器本身。

圖2：汽車降壓變換器電路簡(jiǎn)圖

重新布置一些組件，并添加一個(gè)異步升壓變換器和一個(gè)保護(hù)二極管，就可以很容易地實(shí)現(xiàn)預(yù)升壓。(請(qǐng)參見圖3)。

圖3：具有預(yù)升壓功能的汽車降壓變換器電路簡(jiǎn)圖

在這個(gè)配置中，D1用作升壓變換器中的續(xù)流二極管，而L1為升壓電感器。C1和C2分別是其輸入和輸出電容器，而C3充當(dāng)緩沖器，在冷啟動(dòng)條件下當(dāng)升壓器開始工作時(shí)，可用于短暫時(shí)間內(nèi)保持電壓。增加D2是為了保護(hù)升壓IC不受電池反極性連接的影響；而且它僅在冷啟動(dòng)期間導(dǎo)通，因而不會(huì)影響效率。極性保護(hù)和濾波能力也得以保持。

MPS的 MPQ3426是一款符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的45V/6A異步升壓變換器，可在低至3.2V的輸入電壓下工作。該器件采用小尺寸3mm x 4mm QFN封裝，具有最少的外部組件要求，可以輕松實(shí)現(xiàn)預(yù)升壓，同時(shí)將成本和性能影響降至最低。

MPQ3426的VIN引腳是內(nèi)部電路的偏置電源，應(yīng)連接至降壓變換器的輸出軌。 這樣可減少內(nèi)部LDO損耗，使升壓IC的偏置電源獨(dú)立于系統(tǒng)輸入電壓，并將預(yù)升壓的工作電壓范圍擴(kuò)展至45V。

另一方面，由于系統(tǒng)始終以大約12V的電池電壓?jiǎn)?dòng)，降壓變換器得以啟動(dòng)并為預(yù)升壓電路供電，從而確保輸入電壓始終高于3.2V，并在汽車?yán)鋯?dòng)期間提高其輸出功率。預(yù)升壓電路可調(diào)節(jié)的最低輸入瞬態(tài)電壓受到升壓IC開關(guān)電流限值的限制。

將預(yù)升壓的輸出電壓設(shè)置在7.5V至9.5V之間，可確保預(yù)升壓不會(huì)在正常情況下開始切換，但在冷啟動(dòng)時(shí)將快速響應(yīng)。 由于預(yù)升壓在正常條件下不會(huì)切換，因此不會(huì)產(chǎn)生任何損耗，也不會(huì)產(chǎn)生EMI。通過(guò)演示板配合以MPS的AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)MPQ4430 系列36V同步降壓變換器，這種預(yù)升壓設(shè)計(jì)已得到驗(yàn)證（見圖4）。

圖4: MPS預(yù)升壓演示板

設(shè)計(jì)預(yù)升壓時(shí)，尤其需要注意電感器和二極管的選擇。在冷啟動(dòng)的短暫過(guò)程中，輸入電壓非常低，但輸出功率保持不變；因此，電感器需要足夠高的飽和電流，以使預(yù)升壓在瞬態(tài)期間具有良好性能。該飽和電流應(yīng)大于冷啟動(dòng)期間的峰值電感電流 (IPEAK)。 IPEAK 取決于冷啟動(dòng)期間的最大輸入電流 (ILDC)和電感紋波電流 (ΔIL), 可分別使用公式（1）、公式（2）和公式（3）計(jì)算得出。

(1)IPEAK=ILDC+ΔIL2IPEAK=ILDC+ΔIL2(2)ILDC=VOUT?IOUTVIN?ηILDC=VOUT·IOUTVIN·η(3)ΔIL=VIN?(VO?VIN)VO?fSW?LΔIL=VIN·(VO?VIN)VO·fSW·L

該應(yīng)用選擇了一個(gè)飽和電流為9.2A的2.2μH電感器。

另一方面，二極管需要的直流電流額定值需高于冷啟動(dòng)期間的預(yù)升壓輸出電流，該電流可以比降壓變換器的標(biāo)稱輸入電流高約25％。更重要的是，冷啟動(dòng)期間，二極管的峰值電流應(yīng)該高于后級(jí)電感的峰值電流。 、

不同汽車應(yīng)用對(duì)冷啟動(dòng)電壓的要求可能不盡相同，圖5列出了部分典型值，包括一個(gè)正常情況下的電壓曲線和一個(gè)惡劣條件下冷啟動(dòng)的電壓曲線。預(yù)升壓的輸出功率能力將完全依賴于冷啟動(dòng)期間需要的最低電壓水平；在較低的輸入電壓下，峰值電感電流可能很高。下表比較了系統(tǒng)可提供的最大輸出電流與冷啟動(dòng)期間的最低電壓。

表1: 預(yù)升壓演示板功率能力

圖5:冷啟動(dòng)測(cè)試電壓曲線

為測(cè)試電路板對(duì)冷啟動(dòng)事件的響應(yīng)，這里采用了經(jīng)過(guò)認(rèn)證的汽車電壓瞬變發(fā)生器，它具有已設(shè)置好的電壓曲線。它還可以用大多數(shù)電子實(shí)驗(yàn)室中都很常見的可調(diào)電源輕松進(jìn)行測(cè)試。圖6 顯示的波形清晰展現(xiàn)了通道1中冷啟動(dòng)電壓瞬變的開始、通道2中預(yù)升壓的輸出電壓以及通道3中的系統(tǒng)輸出電壓。

圖6：MPS預(yù)升壓演示板對(duì)冷啟動(dòng)電壓瞬態(tài)響應(yīng)的特寫（測(cè)試條件：VO = 5V, IO = 1.5A）

通道3的波形顯示出，冷啟動(dòng)將輸入電壓降至約3.2V，而輸出電壓始終保持5V恒定，未受影響。 通道2的波形顯示了預(yù)升壓如何快速響應(yīng)電壓瞬變，并將輸出電壓調(diào)節(jié)至9.5V。這表明了，對(duì)于在瞬態(tài)電壓下需要連續(xù)工作的汽車系統(tǒng)而言，預(yù)升壓是一種出色的解決方案。

在更高功率的應(yīng)用中，可以使用升壓控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)升壓，如MPS的MPQ3910A，該升壓控制器驅(qū)動(dòng)外部晶體管并具有更高的電流能力。預(yù)升壓解決了冷啟動(dòng)的設(shè)計(jì)難題，與現(xiàn)有的幾種替代方案相比，節(jié)省了更多成本與板空間。它實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫順暢的自動(dòng)啟停功能，增強(qiáng)了最終用戶體驗(yàn)。