車(chē)載電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
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時(shí)間：2013-11-07
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在汽車(chē)工業(yè)中，對(duì)于車(chē)載電源管理的要求正變得愈加苛刻。現(xiàn)在，它們要求電源能夠工作在更寬的輸入電壓、更高的電流以及更高的溫度極值條件下。這些要求將使開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)成為主流，因?yàn)檫@種電源設(shè)計(jì)具有更大的靈活性、更優(yōu)異的可配置性和更高的散熱效率。
開(kāi)關(guān)模式電源的核心組件是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。今天的車(chē)載轉(zhuǎn)換器必須能夠支持各種運(yùn)行條件，例如：低壓運(yùn)行（也就是冷啟動(dòng)）和正瞬態(tài)生存性 (positive transient survivability)（也就是抑制或未抑制的拋負(fù)載狀態(tài)）。車(chē)載子系統(tǒng)的出現(xiàn)所帶來(lái)的更高負(fù)載需求使得這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜。本文將給讀者提供一個(gè)關(guān)于車(chē)載電源需求的簡(jiǎn)要介紹，并且介紹一款由 TI 最近推出的新型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 TPIC74100。
車(chē)載瞬態(tài)保護(hù)
拋負(fù)載
幾乎所有直接連接至汽車(chē)電池的電子組件和電路均要求保護(hù)，以免于受到抑制、瞬態(tài)電壓（高達(dá)60V）和反向電壓狀態(tài)的損害。對(duì)于這些電子電路而言，必須能夠經(jīng)受住電源線(xiàn)路上一定程度的過(guò)電壓，這也是一種常見(jiàn)的要求。對(duì)于車(chē)載系統(tǒng)而言，尤為如此，為所有特殊車(chē)載電子系統(tǒng)提供電源輸入的主電源必須能夠承受各種瞬態(tài)電壓狀態(tài)（包括交流發(fā)電機(jī)的拋負(fù)載）。拋負(fù)載是指去掉負(fù)載時(shí)電源電壓發(fā)生的變化。電壓調(diào)節(jié)有一個(gè)時(shí)間常量，并且，如果迅速地將負(fù)載去去掉，那么電壓穩(wěn)定則只需幾毫秒的時(shí)間。車(chē)載電池的作用就是消除這些脈沖，并保持電壓更恒定。
由于交流發(fā)電機(jī)控制環(huán)路關(guān)閉的速度不夠快，因此，在將電池電壓去除掉時(shí)，其會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高輸出電壓脈沖。正常情況下，在汽車(chē)某個(gè)中央位置，這種高能脈沖被控制或抑制在一個(gè)較低的電壓范圍內(nèi)。但是，汽車(chē)廠(chǎng)商還是給供應(yīng)商規(guī)定了在其電源輸入端上可能出現(xiàn)的剩余過(guò)電壓。這種情況在轎車(chē)廠(chǎng)商中更為不同，但是轎車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)峰值大約為 40V，而商務(wù)車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)峰值則大約為 60V。一個(gè)典型拋負(fù)載脈沖的持續(xù)時(shí)間為幾十分之幾秒，下圖（圖1）顯示了該拋負(fù)載狀態(tài)下的典型脈沖。
圖1：一個(gè)拋負(fù)載瞬態(tài)的圖表描述
在車(chē)載運(yùn)行環(huán)境中，對(duì)于電源管理芯片的需求日益增長(zhǎng)。這些需求之一便是需要能夠運(yùn)行于一個(gè)寬電壓偏移范圍的電源管理芯片，直接連接至電池的電子系統(tǒng)通常都會(huì)有這種電壓偏移范圍。通過(guò)觀察該冷啟動(dòng)脈沖，可以描述出此類(lèi)瞬態(tài)的一個(gè)例子。這種狀態(tài)可發(fā)生在車(chē)輛在寒冷環(huán)境下的第一次啟動(dòng)。如果溫度可以足夠的低（例如：冷卻至零攝氏度）的話(huà)，那么引擎用油會(huì)變得粘稠。通過(guò)要求提供更高的功率和更大的扭矩，這就對(duì)馬達(dá)提出了重負(fù)載要求。這樣就需要能夠提供更高電流的電池。重負(fù)載要求可以在該點(diǎn)火周期內(nèi)將電池電壓立刻下拉至 3V。
我們所面臨的挑戰(zhàn)是，一些應(yīng)用必須在該過(guò)程中保持運(yùn)行。這些應(yīng)用并非只限于動(dòng)力傳動(dòng)系電子控制部件 (ECU) 或安全關(guān)鍵性應(yīng)用，在一些集群及信息娛樂(lè)子系統(tǒng)中也同樣可以看到這些應(yīng)用的蹤影。當(dāng)出現(xiàn)該條件時(shí)，電源管理芯片必須對(duì)輸入電壓進(jìn)行升壓，以便保持正確的調(diào)節(jié)輸出電壓，從而保證這些電子系統(tǒng)可以正確地發(fā)揮作用。
圖2：輸入電壓變化或冷啟動(dòng)
SEPIC 轉(zhuǎn)換器
SEPIC 轉(zhuǎn)換器提供一種降壓轉(zhuǎn)換，直到輸入電壓等于或者降到輸出電壓電平之下。然后，它將提供升壓轉(zhuǎn)換，直到電池電壓降到最小的容許輸入電壓電平。使用 SEPIC 的一個(gè)主要弊端是，它需要一個(gè)單耦合線(xiàn)圈（也即變壓器）或者兩個(gè)單獨(dú)電感，以及一個(gè)耦合電容器，如圖3 所示。
評(píng)論