適用于汽車?yán)淦饎?dòng)應(yīng)用的雙開關(guān)降壓/升壓技術(shù)

一般來說，我們采用降壓升壓拓?fù)湫屯負(fù)鋪斫鉀Q汽車應(yīng)用中的寬闊輸入電壓范圍及冷起動(dòng)需求。本文將詳細(xì)解釋冷起動(dòng)的要求，并介紹兩種不同的解決方案。其中一種是傳統(tǒng)的SPEIC拓?fù)?，而另一種是較新的多開關(guān)降壓/升壓拓?fù)洹?/p>本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/197895.htm

　　下文將闡述每種方案的優(yōu)劣勢(shì)，并且將著重指出雙開關(guān)降壓/升壓拓?fù)湎鄬?duì)于傳統(tǒng)SEPIC拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)。此外，本文還會(huì)結(jié)合美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體最新推出的LM5118仿電流模式降壓/升壓控制器來作應(yīng)用說明。

　　冷起動(dòng)條件

　　起動(dòng)汽車其實(shí)就是通過電力起動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)。電力起動(dòng)馬達(dá)消耗動(dòng)力由汽車電池提供。啟動(dòng)馬達(dá)需要的大負(fù)載將導(dǎo)致電池電壓逐漸下降。對(duì)于汽車起動(dòng)來說，最壞的情況就是冷起動(dòng)。這種情況發(fā)生在溫度極低的環(huán)境中，低溫環(huán)境會(huì)使汽車?yán)淦饎?dòng)更加困難。當(dāng)汽車處于氣溫極低的環(huán)境時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力會(huì)升至最高，因此需要較大的機(jī)械力量才能發(fā)動(dòng)起來。因此，電力起動(dòng)馬達(dá)所消耗的峰值電流將比在溫暖環(huán)境下發(fā)動(dòng)時(shí)更高。另一個(gè)在冷起動(dòng)情況下的影響因素是汽車電池的電壓會(huì)隨著氣溫下降而下降，并且電池越舊則下降的幅度越大。

　　上述兩個(gè)低溫效應(yīng)會(huì)使汽車電池的最小供電電壓大幅下降。ISO7637標(biāo)準(zhǔn)制訂了汽車于冷起動(dòng)條件下的基本電壓波形。圖1表示出冷起動(dòng)條件下的電壓特性，其一般將電壓定義為兩個(gè)電壓水平。首先，當(dāng)電力起動(dòng)馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)去克服初始機(jī)械阻力時(shí)，供電電壓便處于最低。接著機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行起來，所需的電壓也隨之增大。最后，當(dāng)電力起動(dòng)馬達(dá)被關(guān)閉后，系統(tǒng)電壓便會(huì)返回正常水平。

一般來說，我們采用降壓升壓拓?fù)湫屯負(fù)鋪斫鉀Q汽車應(yīng)用中的寬闊輸入電壓范圍及冷起動(dòng)需求。本文將詳細(xì)解釋冷起動(dòng)的要求，并介紹兩種不同的解決方案。其中一種是傳統(tǒng)的SPEIC拓?fù)?，而另一種是較新的多開關(guān)降壓/升壓拓?fù)洹?/p>

　　下文將闡述每種方案的優(yōu)劣勢(shì)，并且將著重指出雙開關(guān)降壓/升壓拓?fù)湎鄬?duì)于傳統(tǒng)SEPIC拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)。此外，本文還會(huì)結(jié)合美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體最新推出的LM5118仿電流模式降壓/升壓控制器來作應(yīng)用說明。

　　冷起動(dòng)條件

　　起動(dòng)汽車其實(shí)就是通過電力起動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)。電力起動(dòng)馬達(dá)消耗動(dòng)力由汽車電池提供。啟動(dòng)馬達(dá)需要的大負(fù)載將導(dǎo)致電池電壓逐漸下降。對(duì)于汽車起動(dòng)來說，最壞的情況就是冷起動(dòng)。這種情況發(fā)生在溫度極低的環(huán)境中，低溫環(huán)境會(huì)使汽車?yán)淦饎?dòng)更加困難。當(dāng)汽車處于氣溫極低的環(huán)境時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力會(huì)升至最高，因此需要較大的機(jī)械力量才能發(fā)動(dòng)起來。因此，電力起動(dòng)馬達(dá)所消耗的峰值電流將比在溫暖環(huán)境下發(fā)動(dòng)時(shí)更高。另一個(gè)在冷起動(dòng)情況下的影響因素是汽車電池的電壓會(huì)隨著氣溫下降而下降，并且電池越舊則下降的幅度越大。

　　上述兩個(gè)低溫效應(yīng)會(huì)使汽車電池的最小供電電壓大幅下降。ISO7637標(biāo)準(zhǔn)制訂了汽車于冷起動(dòng)條件下的基本電壓波形。圖1表示出冷起動(dòng)條件下的電壓特性，其一般將電壓定義為兩個(gè)電壓水平。首先，當(dāng)電力起動(dòng)馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)去克服初始機(jī)械阻力時(shí)，供電電壓便處于最低。接著機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行起來，所需的電壓也隨之增大。最后，當(dāng)電力起動(dòng)馬達(dá)被關(guān)閉后，系統(tǒng)電壓便會(huì)返回正常水平。

為了在寬闊的輸入電壓范圍下提供高精確度的輸出電壓調(diào)節(jié)，必須用適當(dāng)?shù)目刂品椒?qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)MOSFET，以便為降壓與降壓/升壓模式之間提供一個(gè)順暢的過度。該控制器可根據(jù)輸入輸出的條件以三種不同的模式運(yùn)行：

　　1.降壓操作 Vin >Vout：假如Vin 大于Vout一個(gè)足夠的份量，調(diào)節(jié)器便會(huì)以一個(gè)傳統(tǒng)的降壓穩(wěn)壓器形式來運(yùn)行。在這模式下，降壓轉(zhuǎn)換函數(shù)為Vout/Vin = D，其中D是Q1的占空比，而單純的降壓運(yùn)行模式可確保得出最優(yōu)的效率及調(diào)節(jié)效果。

　　當(dāng)Vin 相對(duì)Vout下降至占空比接近70%時(shí)，升壓開關(guān)便會(huì)以一個(gè)最小的占空比被激活，使調(diào)節(jié)器進(jìn)入一個(gè)軟降壓/升壓模式(圖3a)。

2.降壓/升壓操作 Vin≈Vout：隨著Vin進(jìn)一步降低至接近Vout，降壓開關(guān)的占空比將會(huì)下降，與此同時(shí)升壓開關(guān)的占空比則上升。這也使降壓運(yùn)行模式可以順暢轉(zhuǎn)換到升壓運(yùn)行模式。
3.降壓/升壓操作 VinVout：隨著Vin進(jìn)一步下降低于Vout，降壓與升壓開關(guān)的占空比將會(huì)相同。其時(shí)，轉(zhuǎn)換器會(huì)以一個(gè)全降壓/升壓模式來運(yùn)行，而降壓/升壓轉(zhuǎn)換函數(shù)為Vout/Vin = D/(1-D)。其中D是開關(guān)MOSFET的Q1及Q2占空比(圖3b)。

　　配合這種運(yùn)行模式，輸出電壓便可于Vin接近Vout時(shí)繼續(xù)維持穩(wěn)定，原因是期間沒有發(fā)生電壓突變，只是從降壓與升壓模式之間出現(xiàn)一個(gè)漸進(jìn)的轉(zhuǎn)換。

　　仿峰值電流模式控制方案

　　為了確保輸出電壓可在寬闊的輸入電壓范圍下進(jìn)行調(diào)節(jié)，必須采用PWM電流模式控制方案。原因是電流模式控制可提供固有的線路前饋、逐周期性的電流限制及簡(jiǎn)單閉環(huán)補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)。