汽車(chē)電子系統(tǒng)降壓型BUCK變換器的設(shè)計(jì)技巧
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時(shí)間：2012-07-12
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陶瓷電容的尺寸小，阻抗低，工作的溫度范圍寬，很適合應(yīng)用汽車(chē)電子中BUCK 變換器的輸入端旁路電容。但是在BUCK 變換器的輸入端插入工作的電源時(shí)，即熱插入，如汽車(chē)的點(diǎn)煙器，這些陶瓷電容會(huì)產(chǎn)生應(yīng)用的問(wèn)題：低損耗的陶瓷電容與連接線的雜散電感由低阻抗的電源形成欠阻尼諧振環(huán)，產(chǎn)生振蕩，在BUCK 變換器的輸入端產(chǎn)生二倍的輸入電源電壓的尖峰，從而超過(guò)BUCK 變換器的輸入端允許的額定電壓，損壞器件。在這種工作條件下，必須設(shè)計(jì)輸入的吸收網(wǎng)絡(luò)阻止輸入電壓的過(guò)沖尖峰。下面的的波形展示了BUCK 變換器由一根6 英尺的雙絞線連接到24V 電源時(shí)的波形。圖3 是輸入僅加4.7uF 陶瓷電容的響應(yīng)。輸入電壓的振鈴的峰值為50V，輸入電流的峰值為26A。
圖3：輸入僅加4.7uF陶瓷電容的響應(yīng)
使用阻尼振蕩可以降低峰值的電壓，形成阻尼振蕩有二個(gè)方法：①輸入的陶瓷電容增加一個(gè)串聯(lián)電阻；②使用電解電容。鋁電解電容有高的ESR，可以形成阻尼，減小振蕩的過(guò)沖；其電容可以濾除低頻的紋波，此外，對(duì)系統(tǒng)的效率稍有提高。只是其體積相對(duì)較大。圖4為一個(gè)22uF的電解電容和一個(gè)4.7uF的陶瓷電容并聯(lián)加在輸入端時(shí)的響應(yīng)，陶瓷電容濾除高頻紋波。輸入電壓的峰值明顯降低。
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(gè)0.7歐姆的串聯(lián)電阻也可以減小電壓過(guò)沖，同時(shí)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(shí)對(duì)系統(tǒng)的效率影響并不大。但輸入電壓相對(duì)較低時(shí)，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(jì)
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(shí)高端和低端的MOSFET 占空經(jīng)由下式給出：
主開(kāi)關(guān)管占空比：D= VOUT /VIN。
同步開(kāi)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(mén)限電壓條件下有效驅(qū)動(dòng)電阻，V THMIN是典型的MOSFET 的最小門(mén)限電壓。
兩個(gè)MOSFET 均具有I2R 損耗，而高端N 溝道的公式中包含一個(gè)用于計(jì)算轉(zhuǎn)換損耗的附加項(xiàng)，這在高輸入電壓條件最大。當(dāng)VIN20V時(shí)采用較大的MOSFET 通?？商岣叽箅娏鞯男?，而當(dāng)VIN>20V 時(shí)轉(zhuǎn)換損耗迅速增加。這時(shí)采用具有較高R DS （ON ）器件和較低C MILLER實(shí)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(shí)或短路期間，同步管接近100%時(shí)間里處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，此時(shí)損耗最大。1+δ 項(xiàng)通常以一個(gè)歸一化的R DS （ON ） 與溫度的關(guān)系曲線形式提供給MOSFET，但對(duì)于低壓MOSFET，δ =0.005/℃可被用作一個(gè)近似值。
肖特基二極管在兩個(gè)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(shí)間儲(chǔ)存電荷，形成反向恢復(fù)。在高VIN 條件下會(huì)導(dǎo)致效率減小至少3%。由于流過(guò)的平均電流相對(duì)較小，因此采用1 或3A 的肖特基二極管是一個(gè)較好的方案。
較大的二極管因其具有的結(jié)電容較大故會(huì)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(chē)電子所用的芯片通常為I或H級(jí)，對(duì)于I級(jí)，芯片的結(jié)溫必須小于125°C，對(duì)于H級(jí)，芯片的結(jié)溫必須小于150°C。對(duì)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(wèn)題。但對(duì)于I級(jí)，環(huán)境溫度高于85°C時(shí)，必須小心仔細(xì)的進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)以保證芯片能夠充分的散熱。對(duì)于H級(jí)，環(huán)境溫度高于125°C時(shí)，必須對(duì)最大的允許工作電流進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。
結(jié)溫通過(guò)芯片的功率損耗乘以結(jié)到環(huán)境的熱阻Rja進(jìn)行計(jì)算。滿(mǎn)載時(shí)芯片的溫升幾乎完全不依賴(lài)于輸入電壓，不加散熱器時(shí)，熱阻取決于PCB的設(shè)計(jì)。在單芯片底部通常有一個(gè)裸露的襯墊，因此設(shè)計(jì)PCB時(shí)必須在對(duì)應(yīng)的位置也相應(yīng)的制作這樣的一個(gè)大銅皮焊盤(pán)，同時(shí)這個(gè)大焊盤(pán)通過(guò)一些過(guò)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(hù)
如果電感的飽和電流足夠大，BUCK控制器短路時(shí)由于具有短路保護(hù)功能，因此不會(huì)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(guò)二極管以“與”的形式一起共同連接到BUCK控制器的輸出端時(shí)，當(dāng)BUCK控制器輸入端斷開(kāi)時(shí)，輸出端仍有高的電壓。注意到BUCK控制器通常有一個(gè)/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(dòng)功能。一般此管腳通過(guò)一個(gè)電阻或直接連接到輸入端。當(dāng)輸入端浮空時(shí)，輸出電壓通過(guò)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(guò)電感從輸出電壓吸取幾個(gè)毫安的靜態(tài)的工作電流，影響電池的使用時(shí)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(guò)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(huì)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(hù)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(shí)輸出備份電池反向放電電路
結(jié)論
1 合適的開(kāi)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(shí)使電感和電容的尺寸和體積最小。
2 實(shí)際最大的輸入工作電壓由MOSFET所要求的最短導(dǎo)通時(shí)間決定，實(shí)際最小的輸入工作電壓由MOSFET所要求的最短關(guān)斷時(shí)間決定。
3 必須抑制輸入瞬態(tài)電壓，檢查散熱設(shè)計(jì)，增加輸入短路和反接保護(hù)電路才能保證系統(tǒng)的安全工作。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/196673.htm 汽車(chē)防盜機(jī)相關(guān)文章:汽車(chē)防盜機(jī)原理
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