淺析車載電源拋負載和冷啟動問題解決方案

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(zhuǎn)換器。今天的車載轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(jīng)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(chǎn)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(nèi)。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(nèi)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(nèi)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(diào)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M降壓轉(zhuǎn)換的拓撲結構包括若干種類：SEPIC(單端初級電感轉(zhuǎn)換器)，或一種純降壓M升壓轉(zhuǎn)換器。

SEPIC 轉(zhuǎn)換器

SEPIC 轉(zhuǎn)換器提供了一種降壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。

啟動降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

車載應用中，對于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的需求在過去的幾年中急劇增長。對于那些電壓瞬態(tài)期間(例如：冷啟動)需要繼續(xù)“存活”的應用而言，這就更加有益。

該降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是一款典型的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，其具有一個大于或者小于輸入電壓振幅的輸出電壓振幅。它是一款開關模式電源，具有同升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器相類似的電路拓撲結構。根據(jù)開關晶體管的占空比，可是可以對該輸出電壓進行調(diào)節(jié)。

這種拓撲結構由一個降壓功率級及其兩個功率開關組成，這兩個開關又通過功率電感被連接至一個升壓功率級及其兩個功率開關。這些開關能夠以三種不同的運行模式進行控制：降壓-升壓模式、降壓模式和升壓模式。運行的特殊芯片模式是輸入到輸出電壓比率的函數(shù)，同時也是芯片的控制拓撲結構。

TPIC74100-Q1 是一款降壓-升壓開關模式調(diào)節(jié)器，其在電源概念下工作，以確保一個帶輸入電壓偏移和規(guī)定負載范圍的穩(wěn)定輸出電壓。

TPIC74100-Q1 擁有完整的電壓模式控制開關，也是在同步配置中被設計出來的，以獲得整體增強效率。借助于一些外部組件(LC 組合)，該器件可將輸出調(diào)節(jié)至 5V±3%，以實現(xiàn)一個寬泛的輸入電壓范圍，使其可以被許多高輸入電壓所應用。當 5V 輸出軌超出規(guī)定容差時，該器件還可提供一種復位功能，用于檢測和指示。

TPIC74100-Q1 擁有一個頻率調(diào)制方案，允許系統(tǒng)設計通過在頻帶上擴散頻譜噪聲(而非在特定頻率上達到峰值)來滿足 EMC 要求…

5Vg 輸出是一種開關 5V 調(diào)節(jié)輸出，其帶有內(nèi)部電流限制功能，以在驅(qū)動一個電源線路電容性負載時防止“復位”聲明 (assert)。這種功能由 5Vg_ENABLE 終端控制。如果該輸出(5Vg 輸出)上有一個接地短路，那么輸出將通過在斬波模式下運行來進行自我保護。但是，在該故障狀態(tài)下，這樣做就會增高 VOUT 的輸出紋波電壓。

降壓-升壓轉(zhuǎn)換

根據(jù)輸入電壓 (Vdriver) 和輸出負載條件的不同，該運行模式在降壓和升壓模式之間進行自動切換。

在正常運行模式中，該系統(tǒng)將會被配置為一個降壓轉(zhuǎn)換器。但是，在低輸入電壓脈沖期間，該器件自動地轉(zhuǎn)換到升壓模式運行，以維持 5V 的電壓調(diào)節(jié)。當該器件正運行于升壓模式且處于 5.8V 至 5V 的轉(zhuǎn)換 (crossover) 窗口中時，輸出調(diào)節(jié)可能包含一個高于正常情況的紋波，并且僅維持一個 3% 的容差。這種紋波和容差取決于負載情況，負載條件越高，性能就越高。

低功耗運行

在一些應用中，例如：傳動系和儀表板群，要求低功耗模式運行以使車輛點火處于“關閉”時的功耗處于最小。TPIC74100-Q1 擁有一個輸入 LPM，當其在輕負載(通常小于 30mA)期間被開啟時將運行在 PFM(脈沖頻率調(diào)制)中。在大多數(shù)系統(tǒng)中，許多存儲器設備在點火處于“關閉”狀態(tài)時仍然需要一些功率來保留數(shù)據(jù)，通常需要不到 100uA 的電流。為了支持這種運行模式，總模耗應低于 300uA。TPIC74100-Q1 擁有 150uA(典型值)靜態(tài)電流的低功耗模式。通過開關頻率的變化完成調(diào)節(jié)。

在 PFM 模式下，用于輸出負載的減少的負載電流量是不存在的。在這種模式下，轉(zhuǎn)換器效率更低，由于更高的負載電流，輸出電壓紋波將比 PWM 模式下稍大一些。實現(xiàn)低功耗模式功能，以實現(xiàn)降壓模式運行。在升壓模式條件下，該器件將會自動進入 PWM 模式。通過開啟低功耗模式，降壓和升壓之間的轉(zhuǎn)換還有 PWM 模式和 PFM 模式之間的轉(zhuǎn)換將同時進行。

結論

在許多車載應用中，車載瞬態(tài)電壓是一個將會不斷給設計人員帶來挑戰(zhàn)的問題。在許多需要在這些條件下不斷保持運行的車載電源管理系統(tǒng)應用中，或者當電池電壓意外地降到要求輸出電壓電平之下時，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將起到一個關鍵作用。TPIC74100-Q1 車載降壓/升壓轉(zhuǎn)換器將簡化車載環(huán)境中的設計，并且使設計工程師可以節(jié)省外部組件數(shù)量和 PCB 空間(其具有功率開關和同步運行集成的特點)。TPIC74100-Q1 采用一個具有散熱焊盤的 20 引腳 PWP 封裝，其規(guī)定的工作溫度范圍為 -40℃～+125℃。