汽车电子系统降压型DC/DC转换器的设计技巧

摘    要：本文主要探讨了降压型转换器应用于汽车电子系统时的设计技巧。文中详细讨论了在最小稳态输入电压时如何选取最大占空比，以及在最大稳态输入电压时如何选取最小占空比的方法。还讨论了最大瞬态输入电压的产生原因以及抑止最大瞬态输入电压的方法。最后介绍了计算系统功耗的方法和芯片散热设计的注意事项。
关键词：降压型转换器；稳态输入电压；瞬态输入电压；占空比

目前，高频、高效的DC/DC转换器在汽车电子系统中的应用越来越多。高的开关频率可以使用较小的功率电感和输出滤波电容，从而减小系统的体积、提高紧凑性并降低成本；高工作效率可以延长汽车电池的使用时间，降低系统功耗，从而减小发热量，优化系统的热设计，并进一步提高可靠性。但高开关频率会降低系统的工作效率，因此，设计时必须在开关频率和工作效率之间作一些折衷处理。本文主要针对降压型DC/DC转换器在汽车电子系统中的应用，探讨包括上述问题在内的一些设计技巧和注意事项，而且，这些问题往往是工程设计容易忽略的细节。

实际的最小及
最大输入工作电压
开关频率
开关频率必须在效率、元件尺寸、最小输入与输出电压差、最大输入电压之间进行折衷处理。高开关频率可以减小电感和电容的值，因此，可以使用具有较小体积的电感和电容，还可降低成本。但高的开关频率会降低效率，降低实际的最大工作输入电压，并要求更高的输入/输出电压差。
最高的开关频率可以由下式计算：
(1)
其中：fS(MAX)为最大的开关频率，tON(MIN)为开关管要求的最小导通时间，VD为续流二极管的正向压降，VOUT为输出电压，VIN为正常工作的输入电压，VDS(ON)为开关管的导通压降。 
上式表明： tON(MIN)一定时，低占空比要求更低的开关频率才能保证系统安全的操作。同样，低开关频率允许更低的输入/输出电压差。
输入电压依赖于开关频率的主要原因在于PWM控制器具有最小的导通时间 tON(MIN)和截止时间 tOFF(MIN)。如果取值为150ns，即开关管开通时导通时间至少要持续150ns，低于150ns可能导致MOSFET无法正常开启；同样，开关管关断时截止时间至少要持续150ns，低于150ns可能导致MOSFET无法正常关断。这意味着最小和最大占空比为：
                     (2)
               (3)
上式表明：开关频率降低时，占空比的范围增加，优化的开关频率必须保证系统具有足够的输入工作电压范围，同时使电感和电容尽量小。
实际的最大输入工作电压
通常，芯片的输入电压有额定的工作电压范围，除了额定工作电压的限制，实际的输入电压还受到其它一些条件的限制。最小的实际输入工作电压通常由最大的占空比决定。降压转换器的占空比为:
                   (4)
在输入电压最高时，占空比最小。最大的实际输入工作电压由PWM控制器的最小占空比决定:
  (5)
如果输出在启动或短路的工作条件下,输入的电压必须低于以下的计算结果:
  (6)
由此可知：低的开关频率可以在更高的输入电压下安全工作。 tON(MIN)是每个控制器能够接通高端MOSFET的最短持续时间。它由内部定时延迟以及接通高端MOSFET所需要的栅极电荷量决定。低占空比的应用可以接近该最短导通时间限制，并应注意确保：
                 (7)
如果输出电压处于调节状态，系统也不是启动和短路状态，输入电压大于允许的实际最大输入工作电压时，系统仍然可以工作，而与工作频率无关。在这种情况下，占空比降到最短接通时间能调节的水平以下，控制器将开始进入跳脉冲工作方式，即一些脉冲将被跳掉，以维持输出电压的调节，此时，输出的电压和电流纹波比正常工作状态时输出的电压和电流纹波大。
通常，当峰值检测电压下降时，每个控制器的最短接通时间将逐步增加。如在轻负载条件下，最短接通时间将逐步增加，在具有低纹波电流的强制连续操作应用中，这一点特别重要。在这种情况下，占空比降至最短接通时间限制以下，就会发生明显的跳脉冲现象，电流和电压的纹波会明显增加。另外，电感的饱和电流通常取输出电流的1.3倍以上。对于一些恶劣的工作条件，如启动和输出短路以及高输入电压，电感的饱和电流必须取更大的值，以保证系统安全的工作。
通常，开关频率是固定的，但是一些使用外部电阻设置开关频率的同步降压转换器可以加一个稳压管Z1和限流电阻R1，用以在输入电压增加时降低开关频率，从而扩大输入电压的范围，如图1所示。
在高输入电压下，由于频率降低，而电感值又一定，所以输出的电流和电压纹波增加。频率在较宽的范围内变化，电感无法优化地工作，环路的补偿无法优化。可通过增加稳压管Z2和限流电阻R2来设定系统的最低工作频率，从而限制频率变化的范围。

         
图1 高输入电压时的降频工作电路

实际的最小输入工作电压
在输入电压最低时，占空比最大。使用同步降压转换器，最小的实际输入工作电压由PWM控制器的最大占空比决定:
  (8)
最小工作电压与最小截止时间的关系为：
  (9)
由上式可知：tOFF(MIN)一定时，高开关频率将增加实际的最小输入工作电压。若需要更低的输入工作电压,可以使用低开关频率。在一些同步降压转换器中，当输入和输出的压差降低到一定值时，系统将进入占空比为100%的全导通或LDO控制方式。

瞬态最大峰值输入电压
使用汽车的点火器接通电源，可使电池组在汽车行驶期间存储电能甚至再充电。但接通前应注意：在接通到极恶劣的电源上时，汽车内的主电源电缆会产生一些潜在的瞬变，包括负载突降及电压倍增。负载突降是电池电缆松动的结果。当电缆连接中断时，交流发电机中的磁场会产生一个高达60V的正尖峰电压，它能在几百ms内衰变。电池电压倍增是24V跳跃式启动的性能比12V更快，从而使车发动的结果。
图2是保护DC/DC转换器不受汽车电源线损坏的最简单方法。瞬态抑制器在负载突降期间对输入电压进行箝位。注意：瞬态抑制器不应在双倍电池电压工作时导通，但仍必须将输入电压箝位在转换器的击穿电压之下。

     图2  输入TVS保护电路

陶瓷电容的尺寸小、阻抗低、工作温度范围宽，很适合应用于汽车电子中降压转换器的输入端旁路电容。但是在降压转换器的输入端插入工作电源时，即热插入，如汽车的点火器，这些陶瓷电容会产生一些问题：低损耗的陶瓷电容与连接线的杂散电感由低阻抗的电源形成欠阻尼谐振环，产生振荡，在降压转换器的输入端产生两倍的输入电源电压尖峰，如果超过降压转换器输入端允许的额定电压，将损坏器件。在这种工作条件下，必须设计输入的吸收网络，以阻止输入电压的过冲尖峰。图3和图4展示了降压转换器由一根6英尺的双绞线连接到24V电源时的波形。图3是输入仅加4.7mF陶瓷电容的响应。输入电压的振铃峰值为50V，输入电流的峰值为26A。

      图3  输入仅加4.7mF陶瓷电容的响应

  图4  输入为22mF电解电容并联4.7mF陶瓷电容的响应

使用阻尼振荡可以降低峰值电压，产生阻尼振荡有两种方法：输入的陶瓷电容增加一个串联电阻；使用电解电容。铝电解电容有高的ESR，可以形成阻尼，减小振荡的过冲；其电容可以滤除低频纹波，此外，对系统的效率稍有提高，只是体积相对较大。图4为一个22mF的电解电容和一个4.7mF的陶瓷电容并联加在输入端时的响应，陶瓷电容滤除高频纹波。输入电压的峰值明显降低。
在输入端加一个0.7W的串联电阻也可以减小电压过冲，同时减小峰值电流，0.1mF的陶瓷电容滤除高频纹波，如图5(a)所示。与采用电解电容相比，这种方法体积小、成本低，在高输入电压时对系统的效率影响并不大。但输入电压相对较低时，系统的效率略有降低。

                     (a)

                                   (b)

                         图5  输入加串联电阻的响应

散热设计
选择功率MOSFE时需要考虑导通电阻RDS(ON)、密勒电容CMILLER、输入电压、最大电压和最大输出电流。CMILLER可由MOSFET的产品数据手册给出的栅极充电曲线近似求出。CMILLER等于栅极电荷沿横轴的增量，而曲线大约由VDS的规定变化水平分割，然后由此结果与应用中施加的VDS和栅极充电曲线规定VDS比值相乘。工作于CCM时，高端和低端的MOSFET占空比由下式给出：
主开关管占空比：D=VOUT/VIN
同步开关管占空比：VIN-VOUT/VIN
最大输出电流条件下MOSFET的功耗由下式给出：

   (10)
  
(11)
式中，d是RDS(ON)的温度系数，RDR约为4W，是在MOSFET密勒门限电压条件下的有效驱动电阻，VTHMIN是典型的MOSFET最小门限电压。
两个MOSFET均具有I2R损耗，而高端N沟道的公式中包含一个用于计算转换损耗的附加项，这在高输入电压条件下最大。当VIN<20V时，采用较大的MOSFET可提高大电流的效率；而当VIN>20V时，转换损耗迅速增加，这时采用具有较高RDS(ON)和较低CMILLER的器件可提供更高的效率。同步MOSFET在高输入电压下，当高端工作于低占空比或短路期间，同步管在接近100%的时间里处于导通状态时，此时损耗最大。1+d项通常以一个归一化的RDS(ON)与温度的关系曲线形式提供给MOSFET，但对于低压MOSFET，d=0.005/℃可被用作一个近似值。
肖特基二极管在两个功率MOSFET导通期间的死区导通，可以防止低端MOSFET的体内二极管导通，在死区时间存储电荷，形成反向恢复，在高VIN条件下会导致效率减小至少3%。由于流过的平均电流相对较小，因此，采用1A或3A的肖特基二极管是较好的方案。较大的二极管因其具有的结电容较大，会产生额外的转换损耗。
效率与芯片的最高工作温度相关。汽车电子所用的芯片通常为I或H级，对于I级，芯片的结温必须小于125℃；对于H级，芯片的结温必须小于150℃。对于许多单芯片降压转换器，在低的环境温度下，结温一般不是问题。但对于I级，环境温度高于85℃时，必须仔细地进行电路设计，以保证芯片能够充分散热。对于H级，环境温度高于125℃时，必须对最大的允许工作电流进行降额设计。
结温可通过芯片的功耗乘以热阻Rja计算得出。满载时芯片的温升几乎完全不依赖于输入电压，不加散热器时，热阻取决于PCB的设计。在单芯片底部通常有一个裸露的衬垫，因此，设计PCB时必须在对应的位置制作一个大铜皮焊盘，同时，这个大焊盘通过一些过孔连接到其它的地层平面，以利于散热。

输入短路和反接保护
如果电感的饱和电流足够大，降压转换器由于具有短路保护功能，因此短路时不会损坏。在一些由电池充电以及用电池作备份的系统中，电池及其它一些电源通过二极管以“与”的形式共同连接到降压转换器的输出端，当降压转换器输入端断开时，输出端仍有高电压。降压转换器通常有一个/SHDN引脚，低电平有效，通常用作SS软启动。一般情况下，此引脚通过一个电阻或直接连接到输入端。当输入端悬空时，输出电压通过电感，内部高端的MOSFET反向并联寄生二极管到输入端，/SHDN引脚为高电平，这样，降压转换器内部的电路通过电感从输出电压吸取几mA的静态工作电流，会影响电池的使用时间。当然，如果/SHDN引脚为低电平，则此静态工作电流为0。如果输入短路，输出电压通过电感，内部高端的MOSFET反向并联寄生二极管到输入端，这样，电池将会快速放电。图6就是防止电池在输入短路状况下反向放电的保护电路，D4也可防止输入的反接，只有在有输入电压时系统才工作。

       图6  防止输入短路时的输出备份电池反向放电电路

结语
1 合适的开关频率可以保证系统具有足够的输入电压范围，同时使电感和电容的体积最小。
2 实际最大的输入电压由MOSFET所要求的最短导通时间决定，实际最小的输入电压由MOSFET所要求的最短截止时间决定。
3 必须抑制输入瞬态电压，检查散热设计，增加输入短路和反接保护电路，以保证系统安全工作。

参考文献：
1. www.linear.com