一種用于汽車啟停的低耗能電源設(shè)計(jì)

隨著城市快節(jié)奏的發(fā)展，大多數(shù)人擁有自己的車，這也使得交通變得擁堵，而汽車在高峰期的走走停停會(huì)耗掉很多的能源，不僅浪費(fèi)還污染環(huán)境。故而引進(jìn)了汽車系統(tǒng)中的“啟停”功能，但是這種系統(tǒng)也給汽車電子帶來(lái)了一些獨(dú)特的工程技術(shù)挑戰(zhàn)，汽車啟停系統(tǒng)中電源設(shè)計(jì)是一大難題。本文就為大家介紹一種用于汽車啟停的低耗能電源設(shè)計(jì)。

為了控制燃油消耗，許多汽車制造商在下一代汽車中實(shí)現(xiàn)了“啟停”功能，而且為數(shù)眾多的這種汽車已經(jīng)開(kāi)始上路。這些系統(tǒng)會(huì)在汽車停下來(lái)時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)腳從剎車踏板移動(dòng)到加速踏板——或者在使用手動(dòng)檔情況下釋放離合器踏板重新接入動(dòng)力時(shí)又自動(dòng)重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。在城市行駛和停停走走的高峰時(shí)段這種功能非常有助于減少燃油消耗。

然而，這種系統(tǒng)也給汽車電子帶來(lái)了一些獨(dú)特的工程技術(shù)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)重啟時(shí)電池電壓可能降至6.0V或更低。另外，典型的電子模塊都包含有一個(gè)反極性的二極管，用于在汽車搭線啟動(dòng)又意外將搭線接反時(shí)保護(hù)汽車電路。這個(gè)二極管會(huì)使電池電壓再降低0.7V，因此可供下游電路使用的電壓只有5.3V甚至更低。由于許多模塊仍然需要5V電源供電，因此基本上沒(méi)有了余量，很難保證電路正常工作。

升壓供電

一種方法是升壓供電，即輸入較低的電壓，輸出較高的電壓。目前許多供應(yīng)商在電子模塊前端采用某種類型的升壓電源，這樣即使在因啟停系統(tǒng)造成的降壓條件下電子模塊也能正常工作。

與大多數(shù)工程問(wèn)題一樣，解決問(wèn)題的方法有許多。如果輸入端的電池電壓只是下降至6V，那么首選也是最簡(jiǎn)單的解決方案是尋找一款低壓降的線性穩(wěn)壓器，這種穩(wěn)壓器只需不到0.3V的壓差就能正常工作。這種方法適合電流要求較低的模塊，但是對(duì)電流需求較高的模塊來(lái)說(shuō)，這種方法是不合適的。

另外一種方法是用肖特基二極管或P溝道MOSFET代替用于前端電池反極性保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)P-N結(jié)二極管。肖特基二極管的前向壓降大約是標(biāo)準(zhǔn)整流管的一半，因此可以增加十分之幾伏的壓差余量。改用肖特基二極管相當(dāng)簡(jiǎn)單，因?yàn)樗c標(biāo)準(zhǔn)二極管一樣可以直接安裝在相同的PCB焊盤(pán)上，不需要修改版圖。

圖1：用P-FET實(shí)現(xiàn)電池反極性保護(hù)。

不過(guò)使用P溝道MOSFET要求修改PCB，還要增加一些額外的電路。

圖1表明需要三個(gè)元件：一個(gè)P-FET，一個(gè)齊納二極管和一個(gè)電阻。P-FET需要考慮尺寸大小以便能夠應(yīng)付施加到模塊輸入端的電壓以及要求的負(fù)載電流。另外，要認(rèn)真考慮系統(tǒng)的散熱要求，因?yàn)镕ET功耗等于電流的平方乘以FET的導(dǎo)通電阻。齊納二極管可以防止MOSFET柵極氧化物因過(guò)壓條件而損壞。大多數(shù)P-FET從柵極到源極連接可以承受15V至20V的電壓，因此齊納二極管的選型原則是必須能夠在這個(gè)電壓點(diǎn)之前鉗位。電阻將柵極拉到地，用于導(dǎo)通P-FET，但它也必須調(diào)整到合適的值。阻值不能太小，太小將允許太多的電流流經(jīng)齊納二極管，從而引起功耗問(wèn)題。然而，電阻阻值也不能太大，太大的話就不能可靠地使P-FET導(dǎo)通?？傊@種方法的指導(dǎo)思想是減少漏極到源極連接上的壓降。 電壓突降到5V以下

對(duì)于給定應(yīng)用來(lái)說(shuō)，上述方案的一種或幾種組合也許就能解決問(wèn)題了。但如果輸入電壓真的降到了5V以下會(huì)怎樣?一些制造商發(fā)現(xiàn)在“冷啟動(dòng)”條件下電壓會(huì)降至4.5V。如果發(fā)生這種情況，那么就需要使用開(kāi)關(guān)電源來(lái)提升輸入電壓。三種最常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源分別是升壓電源、降壓/升壓電源以及SEPIC電源。

升壓電源使用一個(gè)電感、一個(gè)N-FET、一個(gè)二極管和一個(gè)電容。這是最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，但也存在一些缺點(diǎn)。如果輸出短路的話就沒(méi)辦法保護(hù)了，因?yàn)閺妮斎氲捷敵鍪且粭l直通的路徑。另外，當(dāng)輸入電壓上升到超過(guò)輸出電壓設(shè)定值時(shí)，將沒(méi)有辦法阻止輸出電壓同時(shí)上升，因?yàn)檩斎腚妷嚎梢酝ㄟ^(guò)電感和二極管直通輸出端。

舉例來(lái)說(shuō)，汽車上的大多數(shù)模塊必須通過(guò)甩負(fù)載測(cè)試。在這種測(cè)試過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓尖峰并施加到Vin端。在使用升壓電源的情況下，這個(gè)電壓尖峰將直接傳播到輸出端。因此如果傳播的是40V尖峰電壓，那么連接到Vout端的所有電路都必須能夠承受這個(gè)電壓。

另外一種可能性是同相降壓/升壓設(shè)計(jì)。這種方案只使用一個(gè)電感和一個(gè)電容，但需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)和兩個(gè)二極管。不過(guò)這種方案允許設(shè)計(jì)師在輸入電壓高過(guò)輸出電壓時(shí)防止輸出電壓繼續(xù)上升。通過(guò)切斷第一個(gè)開(kāi)關(guān)(FET1)，這種方案還能防止輸出短路帶來(lái)的影響。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)在于效率，因?yàn)閮蓚€(gè)二極管和兩個(gè)開(kāi)關(guān)都會(huì)發(fā)生損耗。

圖2：各種升壓電源。

單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)設(shè)計(jì)的版圖非常類似于直接升壓轉(zhuǎn)換器，只不過(guò)它增加了一個(gè)到地的電感和一個(gè)隔直流電容，好處是輸出端不再有短路問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)在輸出端串聯(lián)了一個(gè)隔直流電容。輸出端也不再受輸入電壓的影響，因此可以低于或高于輸入電壓。需要注意的是，正如所有開(kāi)關(guān)拓?fù)浔砻鞯哪菢樱匀恍枰姵胤礃O性保護(hù)機(jī)制，因?yàn)榉聪螂娏魅匀粫?huì)通過(guò)FET的體二極管從地回流到輸入電壓。

總之，在使用啟停交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)時(shí)需要考慮許多問(wèn)題。本文只是簡(jiǎn)單討論了電子模塊用的電源，實(shí)際上還有其它因素需要考慮。例如，當(dāng)這些電壓急降時(shí)內(nèi)部和外部照明會(huì)變暗。內(nèi)部燈光閃爍雖然令人惱火，但還不是關(guān)鍵，而剎車燈和大燈則直接影響安全性，因此也需要相應(yīng)的電源解決方案使它們保持正常工作。幸運(yùn)的是，如今市場(chǎng)上已經(jīng)有相應(yīng)的解決方案可以解決這些問(wèn)題。