使用集成降壓-升壓轉(zhuǎn)換器方案，解決車輛電源穩(wěn)壓器

1.前言

無論汽車電池如何變化，汽車車身電子設(shè)備和網(wǎng)關(guān)模塊都必須不間斷地運(yùn)行。

電壓穩(wěn)定非常重要，相信大家見得多的是在電壓不穩(wěn)定的情況下燈泡會(huì)忽明忽暗，甚至還出現(xiàn)家里電器不工作的狀況，在汽車?yán)锩娣€(wěn)壓器也是同樣的。汽車的電池電壓在冷車發(fā)動(dòng)期間會(huì)降至 3V 以下，在拋負(fù)載期間可能會(huì)激增至 40V，因此需要 DC/DC 電源升壓和降壓，并維持 5V 至 12V 的穩(wěn)定工作電壓。

此外，DC/DC 電源應(yīng)具有較小的解決方案尺寸以節(jié)省空間，以低靜態(tài)電流運(yùn)行以最大限度地減少汽車電池的消耗，并能夠進(jìn)行 2MHz 切換以避免 AM 頻段中的電磁干擾 (EMI) . 在這篇文章中，我將比較典型的傳統(tǒng) DC/DC 電源解決方案，并研究集成寬輸入電壓 (V IN ) 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器提供的優(yōu)勢。

2.常規(guī)解決方案

為了產(chǎn)生 5V 或 12V 的穩(wěn)壓電壓，DC/DC 電源應(yīng)該能夠在啟動(dòng)時(shí)將電池電壓從低至 3V 升高，并在電池電壓高于所需的輸出電壓時(shí)降壓。

圖 1 到圖 4 顯示了傳統(tǒng)解決方案的簡化電源架構(gòu)。為簡單起見，這些數(shù)字使用二極管作為整流器，但我們可以用功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 替換它們，以獲得更高的功率轉(zhuǎn)換效率。

圖 1 和圖 2 通過級聯(lián)兩個(gè)功率級，使用一個(gè)降壓和一個(gè)升壓，提供了簡單而快速的解決方案。當(dāng)降壓和升壓級均為現(xiàn)有設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以節(jié)省開發(fā)時(shí)間。一個(gè)主要缺點(diǎn)是兩個(gè)轉(zhuǎn)換級導(dǎo)致的低效率。例如，即使每個(gè)階段都可以達(dá)到 90% 的效率，但總體效率是兩者的乘積，即 81%。另一個(gè)缺點(diǎn)是相對較高的物料清單 (BOM) 成本和更大的解決方案尺寸——由于使用了兩個(gè)功率電感器、兩個(gè)控制器和更多的外圍組件，這可能會(huì)重復(fù)兩個(gè)控制器的某些功能。

圖 3 顯示了單端初級電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 轉(zhuǎn)換器，可在單級中實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換。然而，它仍然需要兩個(gè)電感器。雖然可以用耦合電感代替兩個(gè)獨(dú)立的電感，但前者的成本無疑高于后者。SEPIC 需要的交流耦合電容器也增加了 BOM 成本。

圖 4 顯示了一個(gè)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。它是一種單級轉(zhuǎn)換器，只需要一個(gè)功率電感器。非同步整流器降低了整體效率。

圖1 ：傳統(tǒng)架構(gòu) 1：先升壓后降壓

圖 2：2 號傳統(tǒng)架構(gòu)：先降壓后升壓

圖 3：傳統(tǒng)架構(gòu)之三：SEPIC

圖 4：傳統(tǒng)架構(gòu) No.4：升降壓

使用如圖 5 所示的同步整流器可提高效率，但四個(gè)外部 MOSFET 會(huì)增加 BOM 成本。還存在與印刷電路板 (PCB) 布局和功率組件布線以實(shí)現(xiàn)最佳性能相關(guān)的挑戰(zhàn)。

圖5：同步升降壓

3.高度集成的寬輸入電壓降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

帶有與控制器集成的所有四個(gè)功率 MOSFET 的升降壓轉(zhuǎn)換器克服了傳統(tǒng)解決方案的缺點(diǎn)。圖 6 是集成降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的簡化框圖。典型產(chǎn)品包括 TI 的 TPIC74100-Q1、TPS55060-Q1 和最近發(fā)布的 TPS5516x-Q1 系列。這些產(chǎn)品在微型解決方案尺寸中支持高達(dá) 1A 的最大負(fù)載。

圖6：集成單級單電感器解決方案：降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

4.一個(gè)應(yīng)用示例

圖 7 顯示了采用 TPS55165-Q1 的典型解決方案，適用于 5V 和 1A 應(yīng)用。完整的解決方案需要不到十幾個(gè)外部組件。

圖 8 顯示了微型解決方案尺寸。作為參考，集成電路 (IC) 尺寸為 6.5mm x 4.5mm。可以進(jìn)一步減小雙面安裝的解決方案尺寸。

圖 9 顯示了電路在冷啟動(dòng)下的性能。我們可以看到，即使在瞬態(tài)條件下，輸出電壓也穩(wěn)定地穩(wěn)定在 5V。

圖 7：用于 5V/1A 應(yīng)用的帶有 TPS55165-Q1 的完整解決方案

圖9：電池電壓啟動(dòng)響應(yīng)（條件：I OUT = 0.5A，V IN瞬態(tài)：12V 至 4V）

5.總結(jié)

四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器使用單個(gè)轉(zhuǎn)換級、單個(gè)功率電感器和最少數(shù)量的外部組件，是汽車應(yīng)用的最佳選擇。憑借 2.2MHz 頻率開關(guān)、15μA 低 I Q操作、可選擴(kuò)頻技術(shù)和微型解決方案尺寸，高度集成的寬 V IN TPS5516x-Q1 系列非常適合車身控制和網(wǎng)關(guān)模塊。