汽車啟動(dòng)/停止系統(tǒng)電源方案

為了限制油耗，一些汽車制造商在其新一代車型中應(yīng)用了“啟動(dòng)/停止”(Start/Stop)功能。當(dāng)汽車停下來時(shí)，這些創(chuàng)新的系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī);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)。這就幫助降低市區(qū)駕車及停停走走式的交通繁忙期時(shí)的油耗。

但這樣的系統(tǒng)為汽車電子帶來了一些獨(dú)特的工程挑戰(zhàn)，因?yàn)楫?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)時(shí)，電池電壓可能降到6.0V甚至更低。此外，典型電子模塊包含反極性二極管，用以在汽車跳接啟動(dòng)(jump started)而跳接線纜反向的事件中保護(hù)電子電路。二極管導(dǎo)致電池電壓又下降0.7V，使下游電路的電壓僅為5.3V或更低。由于許多模塊仍要求5 V供電，此時(shí)電源就沒有足夠的余量來恰當(dāng)工作。

一種解決途徑是采用升壓電源。升壓電源接受較低的輸入電壓，并在輸出端產(chǎn)生較高的電壓。目前供應(yīng)商正在電子模塊的前端使用某種類型的升壓電源，使其能夠在由啟動(dòng)/停止系統(tǒng)導(dǎo)致的壓降條件下恰當(dāng)工作。本文將審視設(shè)計(jì)人員可用于這些啟動(dòng)/停止系統(tǒng)的不同方案，包括低壓降(LDO)穩(wěn)壓器、電池反向保護(hù)方案，以及各種升壓選擇。

就像大多數(shù)工程問題一樣，解決問題的方法也是多種多樣。如果電池電壓在輸入端僅降至6V，那么，首選及最簡(jiǎn)單的方案就是探尋僅要求<0.3V余量的極低壓降線性穩(wěn)壓器。這種方案適用于電流要求較低的模塊，但對(duì)于需要更大電流的模塊而言，設(shè)計(jì)人員就需要更多的選擇了。

另一種方案是以肖特基二極管或P溝道MOSFET替代用于在前端進(jìn)行電池反向保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)P-N結(jié)二極管。肖特基二極管的正向壓降約為標(biāo)準(zhǔn)整流器的一半，因此，它增添了零點(diǎn)幾伏的電壓余量。改用肖特基二極管足夠簡(jiǎn)單直接，因?yàn)樗ǔＧ『眠m用于跟標(biāo)準(zhǔn)二極管一樣的PCB焊盤，無須變更布線。但P溝道MOSFET(簡(jiǎn)稱P-FET)要求變更PCB，還要求一些額外電路。

圖1顯示了要求使用的3個(gè)元件，包括P-FET、齊納二極管及電阻。需要選擇恰當(dāng)大小的P-FET，使其可以處理施加在模塊輸入端的電壓，以及所要求的負(fù)載電流。此外，顧及系統(tǒng)散熱要求很重要，因?yàn)镕ET的功率耗散等于電流的平方乘以FET的導(dǎo)通電阻。齊納二極管保護(hù)MOSFET的柵極氧化物免受由過壓條件導(dǎo)致的操作。大多數(shù)P-FET的柵極至源極連接能夠處理15V至20V電壓，故齊納二極管必須設(shè)定為在此點(diǎn)之前鉗位。電阻將柵極下拉至地電平以導(dǎo)通P-FET，但也必須恰當(dāng)選擇電阻的大小。電阻的阻抗不能太低，因?yàn)樽杩固偷那闆r下會(huì)讓過大電流渡過齊納二極管，因而滋生齊納二極管的功率耗散問題。然而，如果電阻的阻抗太大，在此情況下P-FET的導(dǎo)通可能不會(huì)那么牢靠，而這方案的構(gòu)思是希望降低由漏極至源極兩端的電壓。

圖1 采用P溝道MOSFET提供電池反向保護(hù)

但如果輸入電壓實(shí)際降到5V以下，會(huì)發(fā)生什么情況?某些制造商在考慮冷車啟動(dòng)(cold cranking)條件下輸入電壓會(huì)否降至4.5V。三種最常見的開關(guān)穩(wěn)壓器就是升壓電壓電源、降壓/升壓電源以及單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)電源。

升壓電源使用1個(gè)電感、1個(gè)N溝道MOSFET(即N-FET)、1個(gè)二極管及1個(gè)電容。它的設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單，但也有一些缺點(diǎn)。如果輸出短路，就沒有辦法來保護(hù)它，因?yàn)檩斎肱c輸出之間存在直接通道。此外，當(dāng)輸入電壓上升至高于輸出電壓設(shè)定點(diǎn)時(shí)，就沒有辦法來避免輸出電壓也上升，因?yàn)檩斎腚妷簳?huì)恰好經(jīng)過電感和二極管，到達(dá)輸出。

例如，汽車中的大多數(shù)模塊必須通過負(fù)載突降(load dump)測(cè)試。此測(cè)試產(chǎn)生電壓尖峰(voltage spike)，并且施加在輸入電壓上。在升壓電源中，此電壓尖峰會(huì)傳播至輸出。因此，如果40V尖峰沿著線路傳播，任何連接至輸出電壓的電路都必須能夠處理這樣高的電壓。

另一種可能的開關(guān)穩(wěn)壓器選擇就是非反向(non-inverting)降壓/升壓設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)僅使用1個(gè)電感和1個(gè)電容，但要求使用2個(gè)開關(guān)和2個(gè)二極管。但此方案確實(shí)使設(shè)計(jì)人員能夠在輸入電壓升高至高于輸出電壓時(shí)避免輸出電壓上升。它還能夠使用第一個(gè)開關(guān)(FET1)開路來提供輸出短路保護(hù)。此設(shè)計(jì)的不足就在于其能效，因?yàn)樾枰櫦?個(gè)二極管及2個(gè)開關(guān)的損耗問題。

SEPIC設(shè)計(jì)在布線方面與直接升壓轉(zhuǎn)換器非常類似，不同的是這種設(shè)計(jì)增加了1個(gè)接發(fā)電感及1個(gè)DC阻斷電容。這種設(shè)計(jì)不利的一面就是又增加了1個(gè)電感和1個(gè)電容，但有利的一面是，不存在跟輸出短路的相關(guān)問題，因?yàn)镈C阻斷電容此時(shí)已與輸出串行連接。這樣一來，輸出不再受輸入電壓影響，所以它可以低于或高于輸入電壓。

需要指出的是，盡管上面已經(jīng)列舉了所有開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但仍然需要電池反向保護(hù)方案，因?yàn)榉聪螂娏骺赡芙?jīng)由FET背部的體二極管(body diode)從地電平流至輸入電壓。

總而言之，在啟動(dòng)/停止交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，要顧及的問題有很多。本文僅探討了電子模塊的電源問題，但也還有其它問題需要予以應(yīng)對(duì)。例如，在電壓下降時(shí)，內(nèi)部照明及外部照明都會(huì)變暗。內(nèi)部照明閃爍問題也很惱人卻又并非至關(guān)重要，而剎車燈及前照燈影響安全性，因此電源需要使這些汽車內(nèi)/外照明維持亮度并持續(xù)工作。

圖2 不同升壓電源拓?fù)浣Y(jié)