啟動(dòng)仿真器就是這么簡(jiǎn)單！

引言

工作在汽車(chē)領(lǐng)域的電子工程師遲早會(huì)面臨“啟動(dòng)測(cè)試脈沖”問(wèn)題。這些測(cè)試脈沖說(shuō)明了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的電池壓降，所有汽車(chē)制造商對(duì)此都有其自己的標(biāo)準(zhǔn)。電池上連接有大量的電子產(chǎn)品電路，因此它們會(huì)受到這一事件的影響。在導(dǎo)航或多媒體系統(tǒng)等一些應(yīng)用中，人們不希望、甚至無(wú)法接受由于輸入電壓下降而導(dǎo)致的工作中斷。在這種情況下，升壓轉(zhuǎn)換器大多數(shù)布置在電路前面，以便為電子產(chǎn)品提供穩(wěn)定的輸入電壓。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，必須測(cè)試前置升壓轉(zhuǎn)換器的功能性，才能確保為負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器等后續(xù)電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)以及干凈穩(wěn)定的輸出電壓。這類(lèi)應(yīng)用的典型解決方案是德州儀器 (TI) 的 TPS43330，其可提供兩個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器。電池電壓可直接連接至升壓轉(zhuǎn)換器，而兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器則連接至該升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端。

只要電池電壓下降至一個(gè)可調(diào)閾值以下，升壓轉(zhuǎn)換器就會(huì)啟動(dòng)，為降壓轉(zhuǎn)換器提供 7V、10V 或 11V 的恒定電壓。

很多制造商都提供測(cè)試系統(tǒng)來(lái)仿真啟動(dòng)脈沖，但可惜它們也有一定的“商業(yè)”價(jià)格。要測(cè)試具有不同標(biāo)準(zhǔn)化起動(dòng)脈沖的、輸入功率高達(dá) 50W 的汽車(chē)電子系統(tǒng)，可使用以下所示低成本小型啟動(dòng)仿真器。

規(guī)范

從根本上講，需要一個(gè)高度靈活的可編程、任意信號(hào)發(fā)生器，其可覆蓋 2 至 15V的輸出電壓范圍和 50W 的最大輸出功率，這些需求可分為三個(gè)部分。

對(duì)于電源部分而言，降壓轉(zhuǎn)換器是正確的選擇，因?yàn)闊o(wú)需電流隔離，而且它通?？蔀樗蟹歉綦x式拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)最大的穩(wěn)壓帶寬。由于輸出電壓在 2 至 15V 的范圍內(nèi)，因此 24V DC 輸入電壓就是理想的電壓，在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)室都能找到的標(biāo)準(zhǔn)電源就可提供這樣的電壓。

要增大降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，只需提高占空比，電感器內(nèi)的電流方向保持不變即可。如果輸出電壓必須極速降低，只降低占空比是不夠的，還必須通過(guò)讓輸出電容器放電來(lái)盡快達(dá)到所需的最新輸出電壓。

圖 1 是非同步與同步降壓轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)。在非同步拓?fù)渲惺褂玫亩O管只允許單向電流流過(guò)。如果將該二極管替換為 FET，則在輸出電容器上的電壓高于新設(shè)定值時(shí)，降壓控制器就會(huì)連續(xù)接通該低側(cè) FET。然后電流流過(guò)電感器的方向會(huì)發(fā)生變化，而輸出電容器則可通過(guò)將其經(jīng)由電感器連接至接地來(lái)實(shí)現(xiàn)放電。

當(dāng)然，在占空比可以非常低而輸出電流為高的此類(lèi)應(yīng)用中，同步降壓可提供比非同步方案高得多的效率，因?yàn)樵诜峭椒桨钢?，二極管的正向壓降可引起高損耗。

要對(duì)輸出電壓實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)壓，就必須禁用控制器的任何‘二極管仿真’或‘電源安全模式’，使轉(zhuǎn)換器始終保持在連續(xù)導(dǎo)通模式下。與斷續(xù)導(dǎo)通模式相比，這種‘強(qiáng)制 PWM 模式’可增加低負(fù)載損耗，但對(duì)于該應(yīng)用而言，沒(méi)有任何作用。

TI 的 TPS40170 電壓模式降壓控制器符合所有要求，而且所集成誤差放大器的高帶寬(典型值為 10 MHz)還可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的快速變化。

第二部分的內(nèi)容包括輸出電壓的變量及其快速變化。有幾種方法可改變工作過(guò)程中的輸出電壓，但可能最快的方法是為數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 供電。根據(jù)處理器負(fù)載調(diào)節(jié)內(nèi)核電壓，可增強(qiáng)計(jì)算功能或降低損耗。這通常由一個(gè)動(dòng)態(tài)電壓識(shí)別 (VID) 接口完成，如圖 3 所示。

通過(guò)改變參考電壓或電壓(其可與參考電壓進(jìn)行比較)可改變轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。由于參考電壓大多是固定的，而且不可通過(guò)控制器訪問(wèn)，因此必須使用第二種方法。

將幾款附加電阻器與該分壓器的低側(cè)電阻器并聯(lián)布置，它就可通過(guò)小型 FET 進(jìn)行開(kāi)關(guān)。

在該電路中，增加 8 個(gè)附加電阻器和 FET，可在 2V 至 15V 輸出電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生 51mV 的分辨率。

TI 微控制器 MSP430F2274 可用來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)。三種不同標(biāo)準(zhǔn)的啟動(dòng)脈沖(戴姆勒克萊斯勒發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)測(cè)試脈沖 DC-10615、大眾冷啟動(dòng)測(cè)試脈沖以及熱啟動(dòng)測(cè)試脈沖 VW80000)均在該 MCU 中進(jìn)行了硬編程，它們既可按單脈沖觸發(fā)，也可按相同脈沖序列觸發(fā)，其間延遲可調(diào)。此外，該 MCU 還可處理由幾個(gè)按鈕和 LED 組成的用戶(hù)界面。

固件不僅可采用 C 語(yǔ)言進(jìn)行編程，而且還顧及了評(píng)論良好的模塊化結(jié)構(gòu)。即使沒(méi)有什么編程經(jīng)驗(yàn)，讓源代碼適應(yīng)您自己的需求(例如改變脈沖形狀)也沒(méi)有問(wèn)題。開(kāi)發(fā)環(huán)境“Code Composer Studio”可從 ti.com 上免費(fèi)下載，可用來(lái)編程微控制器，并可使用 TI 低成本 MSP430 LaunchPad。

有源反極性保護(hù)與觸發(fā)器輸入輸出等部分電路外設(shè)可使該電路更穩(wěn)健、更簡(jiǎn)單易用，以充分滿足實(shí)驗(yàn)室日常使用需求。

測(cè)量

有關(guān)快速電壓變化(大眾冷啟動(dòng)測(cè)試脈沖)的最關(guān)鍵脈沖如圖 4 所示。連接至輸出的是 50W 恒定負(fù)載，在測(cè)試脈沖開(kāi)始時(shí)，輸出電壓必須在 1 ms 內(nèi)從 11V降低到 3.2V。

通道 2(紅色)是輸出電壓，而通道 1(黃色)則是輸出電流。由于負(fù)載是恒定的，因此在電壓下降時(shí)，電流必須相應(yīng)上升。該脈沖下的峰值輸出電流是 26A，如圖 5 所示。

為了顯示該系統(tǒng)的性能，對(duì)鋸齒波形進(jìn)行了編程。圖 6 中的通道 2(紅色)是在 50W 恒定負(fù)載下從 2V 直線上升至 15V 的輸出電壓。只是從 2V 到 15V 的極度電壓變化不太完美，但也很不錯(cuò)。

結(jié)論

這里顯示的系統(tǒng)已經(jīng)在日常實(shí)驗(yàn)室使用中經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，能夠高度可靠地完成各項(xiàng)任務(wù)。它雖然是一個(gè)低成本的小型解決方案，但在用于測(cè)試導(dǎo)航與多媒體系統(tǒng)等汽車(chē)電子產(chǎn)品的啟動(dòng)輸入脈沖時(shí)，表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

原理圖、材料清單、布局以及軟件等有關(guān)該項(xiàng)目的所有信息已在 ti.com 網(wǎng)站上的 PMP7233 目錄下提供。

關(guān)于作者

Matthias Ulmann 于 1980 年出生于德國(guó)烏爾姆，2006 年畢業(yè)于烏爾姆大學(xué)，獲電氣工程學(xué)位。在電機(jī)控制與太陽(yáng)能逆變器領(lǐng)域工作數(shù)年后(專(zhuān)門(mén)從事 IGBT 驅(qū)動(dòng)器工作)，Ulmann 參加了 TI 模擬學(xué)院 (Analog Academy) 為期一年的培訓(xùn)項(xiàng)目。自 2010 年以來(lái)，他一直在位于德國(guó)弗萊辛的 EMEA 設(shè)計(jì)服務(wù)產(chǎn)品部工作，擔(dān)任參考設(shè)計(jì)工程師，其設(shè)計(jì)工作涵蓋適用于所有應(yīng)用領(lǐng)域的隔離式及非隔離式 DC/ DC 轉(zhuǎn)換器。