汽車電子系統(tǒng)降壓型BUCK變換器的設(shè)計(jì)技巧

　目前高頻高效的DCDC 變換器在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多。

　　高的開關(guān)頻率可以使用較小的功率電感和輸出濾除電容，從而在整體上減小的系統(tǒng)的尺寸，提高系統(tǒng)的緊湊性，并降低系統(tǒng)的成本；高的工作效率可以提高汽車電池的使用時(shí)間，降低系統(tǒng)的功率損耗，從而減小系統(tǒng)的發(fā)熱量，優(yōu)化系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

　　但高的開關(guān)頻率會(huì)降低系統(tǒng)的工作效率，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須在開關(guān)頻率和工作效率之間作一些折衷處理。本文主要針對(duì)DCDC 降壓型BUCK 變換器應(yīng)用于汽車電子系統(tǒng)時(shí)，探討包括上述問題在內(nèi)的一些設(shè)計(jì)技藝和注意事項(xiàng)，而且這些問題往往是工程現(xiàn)在設(shè)計(jì)時(shí)容易忽略的細(xì)節(jié)。

　　1 實(shí)際的最小及最大輸入工作電壓

　　1.1 開關(guān)頻率

　　開關(guān)頻率必須在效率，元件的尺寸，最小的輸入與輸出電壓差，最大輸入電壓之間進(jìn)行折衷處理。高的開關(guān)頻率可以減小電感和電容的值，因此可以使用較小體積和尺寸的電感和電容，并降低成本。但高的開關(guān)頻率會(huì)降低效率，并降低實(shí)際的最大的工作輸入電壓，以及要求更高的輸入輸出電壓差。

　　最高的開關(guān)頻率可以由下式計(jì)算：



　　其中：f_{S（MAX ）}為最大的開關(guān)頻率，t_ON（MIN）為開關(guān)管要求的最小的導(dǎo)通時(shí)間， V_D 為續(xù)流二極管的正向壓降， V_OUT 為輸出電壓， V_IN 為正常工作的輸入電壓，V_{DS （ON ）} 為開關(guān)管的導(dǎo)通壓降。

　　上式表明：t _ON（MIN） 一定時(shí)，低的占空比要求更低的開關(guān)頻率才能保證系統(tǒng)安全的操作。同樣的，低的開關(guān)頻率允許更低的輸入輸出電壓差。

　　輸入電壓依賴于開關(guān)頻率的主要原因在于PWM控制器的具有最小的開通t _ON（MIN） 和最小關(guān)斷時(shí)間t _OFF（MIN） 。如果其取值為150ns，也就是說開關(guān)管開通時(shí)導(dǎo)通時(shí)間至少要持續(xù)150ns ， 低于150ns 可能導(dǎo)致MOSFET無法正常的開啟；同樣的，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)關(guān)斷的時(shí)間至少要持續(xù)150ns，低于150ns可能導(dǎo)致MOSFET無法正常的關(guān)斷。這意味著最小的占空比和最大的占空比為：



　　上式表明：開關(guān)頻率降低時(shí)占空比的范圍增加，優(yōu)化的開關(guān)頻率必須保證系統(tǒng)具有足夠的輸入工作電壓范圍，同時(shí)使電感和電容盡量的小。

　　1.2 實(shí)際的最大輸入工作電壓

　　通常芯片的輸入電壓有一定額定的工作電壓范圍，除了額定的工作電壓的限制，實(shí)際的輸入工作電壓還要受到其它一些條件的限制。最小的實(shí)際輸入工作電壓通常由最大的占空比來決定。BUCK 變換器的占空比為：



　　在輸入電壓最高時(shí)，占空比最小。最大的實(shí)際輸入工作電壓由PWM控制器最小的占空比決定：



　　如果輸出在起動(dòng)或短路的工作條件下，輸入的電壓必須低于以下的計(jì)算結(jié)果：



　　由此可知：低的開關(guān)頻率可以在更高的輸入電壓時(shí)安全的操作。最短導(dǎo)通時(shí)間t _ON（MIN） 是每個(gè)控制器能夠接通高端MOSFET的最短持續(xù)時(shí)間。它由內(nèi)部定時(shí)延遲以及接通高端MOSFET所需要的柵極電荷量決定。低占空比的應(yīng)用可以接近該最短導(dǎo)通時(shí)間限制，并應(yīng)注意確保：



　　如果輸出的電壓處于調(diào)節(jié)的狀態(tài)，系統(tǒng)也不是起動(dòng)和短路狀況，輸入電壓大于允許的實(shí)際最大輸入工作電壓，系統(tǒng)仍然可以工作，而與工作頻率無關(guān)。在這種狀況下，占空比降到最短接通時(shí)間能調(diào)節(jié)的水平以下，控制器將開始進(jìn)入跳脈沖工作方式，即一些脈沖將被跳掉以維持輸出電壓的調(diào)節(jié)，此時(shí)輸出的電壓和電流紋波比正常工作狀態(tài)時(shí)輸出的電壓和電流紋波大。

　　通常，當(dāng)峰值檢測(cè)電壓下降時(shí)， 每個(gè)控制器的最短接通時(shí)間將逐步增加，如在輕負(fù)載條件下，最短接通時(shí)間將逐步增加，在具有低紋波電流的強(qiáng)制連續(xù)操作應(yīng)用中這一點(diǎn)特別重要，在這種情況下占空比降至最短接通時(shí)間限制以下，就會(huì)發(fā)生明顯的跳脈沖現(xiàn)象，電流和電壓的紋波會(huì)明顯的的增加。另外，電感的飽和電流通常取輸出電流的1.3倍以上，對(duì)于一些惡劣的工作條件如起動(dòng)和輸出短路以及高的輸入電壓，電感的飽和電流必須取更大的值，以保證系統(tǒng)安全的工作。

通常開關(guān)頻率是固定，但是一些使用外部電阻設(shè)置開關(guān)頻率的同步BUCK 控制器可以加一個(gè)穩(wěn)壓管Z1 和限流電流R1 實(shí)現(xiàn)在輸入電壓增加時(shí)，降低開關(guān)頻率，從而擴(kuò)大輸入電壓的范圍，如圖1 所示。



圖1：高輸入電壓時(shí)降頻工作電路

　　這個(gè)電路帶來的問題時(shí)，在高輸入電壓時(shí)，由于頻率降低，而電感值又一定，所以輸出的電流和電壓紋波增加。頻率在較寬的范圍內(nèi)變化，電感無法優(yōu)化的工作，環(huán)路的補(bǔ)償無法優(yōu)化。通過增加穩(wěn)壓管Z2 和限流電流R2 來設(shè)定系統(tǒng)的最低工作頻率，從而限制頻率變化的范圍。

　　1.3 實(shí)際的最小的輸入工作電壓

　　在輸入電壓最低時(shí)，占空比最大。使用同步BUCK 控制器，最小的實(shí)際輸入工作電壓由PWM 控制器最大的占空比決定：



　　最小工作電壓與最小關(guān)斷時(shí)間t _OFF（MIN） 的關(guān)系為：



　　由上式可知：t _OFF（MIN）一定時(shí)，高的開關(guān)頻率將增加實(shí)際的最小的輸入工作電壓。若要更低的輸入工作的電壓，可以使用低的開關(guān)頻率。在一些同步BUCK 控制器中，當(dāng)輸入和輸出的壓差降低到一定的值時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入占空比為100%的全導(dǎo)通或LDO 控制方式。

　　2瞬態(tài)最大峰值輸入電壓

　　隨著電池供電設(shè)備越來越多進(jìn)入移動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域，人們使用汽車的點(diǎn)煙器接通電源以使電池組在汽車行駛期間儲(chǔ)存電能甚至再充電。但接通前，注意：在接通到極惡劣的電源上，汽車內(nèi)的主電源電纜產(chǎn)生一些潛在的瞬變，包括負(fù)載突降及電壓電壓倍增。負(fù)載突降是電池電纜松動(dòng)的結(jié)果。當(dāng)電纜連接中斷時(shí)，交流發(fā)電機(jī)中的磁場(chǎng)會(huì)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高達(dá)60V 的正尖峰電壓，它能在幾百毫秒中衰變。電池電壓倍增是24V跳躍式起動(dòng)時(shí)性能比12V 更快讓冷車發(fā)動(dòng)的結(jié)果。

　　圖2 是保護(hù)DCDC 轉(zhuǎn)換器不受汽車電源線損壞的最簡(jiǎn)單直接的方法。

　　瞬態(tài)抑制器在負(fù)載突降期間對(duì)輸入電壓進(jìn)行箝位。注意：瞬態(tài)抑制器不應(yīng)在雙倍電池電壓操作時(shí)導(dǎo)通，但仍必須將輸入電壓箝位在轉(zhuǎn)換器的擊穿電壓之下。



圖2：輸入TVS 保護(hù)電路