非同步升壓轉(zhuǎn)換器方案，打造全新汽車啟停系統(tǒng)

如今，汽車用戶對油耗越來越敏感，期望節(jié)能燃油支出，同時(shí)客觀上也能幫助降低對環(huán)境的影響。為了了配合此趨勢，汽車制造商們紛紛采用各種途徑來降低消耗，其中一種途徑就是在新車型中應(yīng)用自動(dòng)“啟動(dòng)/停止”(Start/Stop)功能，在幫助降低油耗的同時(shí)，也增加銷售賣點(diǎn)。

所謂自動(dòng)啟停功能，就是汽車因?yàn)槎萝嚮虻燃t燈而停下來時(shí)，這些創(chuàng)新的系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)(熄火);而當(dāng)駕駛?cè)说哪_從剎車踏板移向油門踏板時(shí)，就自動(dòng)重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)(點(diǎn)火)。這就幫助降低市區(qū)駕車及停停走走式交通繁忙期時(shí)不必要的油耗，降低排放。

自動(dòng)啟停系統(tǒng)對汽車電源系統(tǒng)的影響

但這樣的創(chuàng)新系統(tǒng)也為汽車電子設(shè)計(jì)帶來一些獨(dú)特挑戰(zhàn)。因?yàn)楫?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)時(shí)，電池電壓可能驟降至6.0 V甚至更低。傳統(tǒng)汽車電源架構(gòu)中，典型電子模塊包含反極性二極管，用于在汽車跳接啟動(dòng)(jump started)而跳接線纜反向的事件中保護(hù)電子電路。保護(hù)電路本身產(chǎn)生壓降，使下游電路電壓僅為5.5 V或更低。由于許多模塊仍要求5 V供電，過低的壓差使降壓電源沒有足夠余量來正常工作。因此，傳統(tǒng)的汽車電源架構(gòu)不適用于自動(dòng)啟停系統(tǒng)。

圖1：傳統(tǒng)汽車電源架構(gòu)及其問題所在。

自動(dòng)啟停系統(tǒng)常見電源方案

要為自動(dòng)啟停系統(tǒng)選擇適當(dāng)?shù)碾娫醇軜?gòu)，常見的方案有三種。一種方案是采用低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器，或是低壓降開關(guān)電源如安森美半導(dǎo)體的NCV8852。這是一款汽車級非同步降壓控制器，能夠接受3.1至36 Vdc的寬輸入電壓范圍，并能承受44 V負(fù)載突降。這種方案的優(yōu)點(diǎn)，是輸入電壓低至5.5 V時(shí)系統(tǒng)電壓可以正常工作。但其缺點(diǎn)是若輸入電壓降至更低，系統(tǒng)無法正常工作。

另一種方案是采用升降壓電源作為初級電源，如采用安森美半導(dǎo)體的NCV8871或NCV898031構(gòu)建的單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)電路。這種方案的突出優(yōu)點(diǎn)，是即使輸入電壓低至4 V，系統(tǒng)也可以正常工作。但其缺點(diǎn)是要變更設(shè)計(jì)，系統(tǒng)相對復(fù)雜。

圖2：自動(dòng)啟停系統(tǒng)的常見電源方案。

第三種方案是在初級高壓降壓電源之前，采用前置升壓電源。例如可以采用安森美半導(dǎo)體的NCV8871構(gòu)建前置升壓電路，當(dāng)輸入 電壓低于設(shè)定電壓時(shí)就升壓。這種方案的優(yōu)點(diǎn)，是輸入電壓低于4 V時(shí)系統(tǒng)也可以正常工作，且無須變更電源設(shè)計(jì)。但其缺點(diǎn)是電池電壓正常時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額外的耗電，不利于盡可能地降低能耗。

安森美半導(dǎo)體用于啟停系統(tǒng)的改進(jìn)型前置升壓電源方案——NCV8876

如上所述，這三種常見的自動(dòng)啟停系統(tǒng)電源方案各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。針對這種情況，安森美半導(dǎo)體推出了應(yīng)用于汽車自動(dòng)啟停系統(tǒng)的非同步升壓控制器NCV8876，主要用于在汽車自動(dòng)啟停時(shí)為后續(xù)電路提供足夠的工作電壓。它是一種改進(jìn)型的前置升壓電源方案，旨在充分發(fā)揮前置升壓電源方案的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)設(shè)法避免其缺點(diǎn)。

圖3：安森美半導(dǎo)體的改進(jìn)型前置升壓電源方案NCV8876的典型應(yīng)用電路。

NCV8876驅(qū)動(dòng)外部N溝道MOSFET，使用內(nèi)部斜坡補(bǔ)償?shù)姆逯惦娏髂Ｊ娇刂疲闪藘?nèi)部穩(wěn)壓器，為門極驅(qū)動(dòng)器提供電荷。 NCV8876采用2 V至45 V輸入電壓工作，能夠在冷啟動(dòng)及45 V負(fù)載突降情況下工作。NCV8876在休眠模式下的靜態(tài)電流典型值僅為11 μA，適應(yīng)汽車應(yīng)用的低靜態(tài)電流要求。它在寬溫度范圍下提供±2%的輸出電壓精度。NCV8876采用SOIC8微型封裝，工作溫度范圍-40℃至150℃，能夠適應(yīng)汽車應(yīng)用的嚴(yán)格要求。

如圖3所示，NCV8876具有狀態(tài)(STATUS)監(jiān)測功能，能為微控制器提供工作狀態(tài)信息。當(dāng)工作狀態(tài)為低電平時(shí)，NCV8876工作;高電平時(shí)，NCV8876休眠。這器件可以透過外部電阻RDSC設(shè)定頻率。它還可內(nèi)部設(shè)定限流值、最大占空比等多項(xiàng)參數(shù)。 NCV8876集成了多種保護(hù)功能，如逐周期限流保護(hù)、斷續(xù)模式過流保護(hù)及過熱關(guān)閉等。其它特性包括：峰值電流檢測、最小COMP電壓鉗位可提高切換時(shí)的響應(yīng)速度等。總的來看，NCV8876應(yīng)用電路簡單，成本低，非常適合汽車啟停系統(tǒng)應(yīng)用。

NCV8876工作原理

NCV8876改進(jìn)型前置升壓電源方案的原理是：電池電壓正常時(shí)，NCV8876進(jìn)入休眠模式，僅消耗極低的靜態(tài)電流(典型值 11 μA);而當(dāng)電池電壓降至設(shè)定電壓時(shí)，NCV8876自動(dòng)喚醒，開始升壓工作。

具體而言，當(dāng)汽車電池供電電壓下降到低于7.3 V(可工廠預(yù)設(shè))時(shí)，NCV8876自動(dòng)啟用;而當(dāng)電池電壓降至低于6.8 V時(shí)，NCV8876啟用升壓工作。因此，NCV8876可以保障后續(xù)電路有足夠的余量來恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行降壓工作，供下游系統(tǒng)使用。

圖4：安森美半導(dǎo)體NCV8876非同步升壓控制器工作原理詳解。

安森美半導(dǎo)體基于NCV8876的演示電路板測試顯示，在輸入電壓最低2.6 V條件下，輸出電壓為6.8 V，輸出電流為3.6 A，能夠使后續(xù)降壓轉(zhuǎn)換器恰當(dāng)工作，并為下游系統(tǒng)供電。

圖5：NCV8876演示電路板及實(shí)測波形。

總結(jié)

汽車自動(dòng)啟停系統(tǒng)是一項(xiàng)被諸多汽車制造商作為獨(dú)特銷售賣點(diǎn)的功能，用于幫助降低油耗及廢氣排放。但此創(chuàng)新功能也帶來獨(dú)特的工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文分析汽車自動(dòng)啟停系統(tǒng)對傳統(tǒng)電源架構(gòu)的影響以及問題所在，探討了自動(dòng)啟停系統(tǒng)的常見電源方案及其各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，介紹了安森美半導(dǎo)體的改進(jìn)型前置升壓電源方案NCV8876的功能特點(diǎn)及工作原理，幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)用這非同步升壓控制器，為創(chuàng)新的汽車自動(dòng)啟停系統(tǒng)開發(fā)簡單、低成本的電源方案。