切勿急躁——车载电子冷启动的处理

　　从冷启动至抛负载，降压-升压转换器能在整个车载电池电压范围内提供稳定不间断的电源电压。

　　引言

　　12V 车载仪表板宽变化范围的电压给车载电子应用提出了一个难题。随着电压在 3.5V ~ 28V (45V) 这个范围内变化，一些诸如线性稳压器、降压或升压 DC/DC 转换器等简单的电源解决方案并不总适于提供电子控制部件 (ECU) 所需的电源电压。一个降压-升压转换器拓扑结构就可以解决这一问题，且不需要磁性耦合线圈(变压器，如 SEPIC 或反向转换器)，由此提供了一款低成本灵活的系统解决方案。

　　对许多车载应用及 ECU 而言，电池和交流发电机并不能供给足够的电压，需要将电压转换至合适的电压电平。DC/DC 开关稳压器和线性稳压器是被广泛用于实现这一目标的解决方案。本文将对开关稳压器进行重点阐述，因为线性解决方案不能产生高于电源输入电压的输出电压。

　　最为常见的拓扑结构是降压转换器(见图 1)。由于只需要一个电感、一个二极管和一个开关，该拓扑结构是最简单且成本最低的开关 DC/DC 解决方案之一。然而，它也存在一点不足，即只能产生低于输入电压的输出电压。如果需要一个更高的输出/输入电压，可采用“相反”的拓扑结构或升压转换器(见图 2)。该拓扑需要类似的组件，但能提供高于输入电压的输出电压。

图 1 基本降压转换器拓扑                   


图 2 基本升压转换器拓扑

　　由于车载仪表板电压会在一个较宽的范围(启动时低至 3.5V，钳位抛负载时高达 45V)内变化，因此在一些 ECU 应用中输入和输出电压的交叉在所难免。启动(引擎发动)时的功能性损耗是我们无法接受的，尤其对于一些传动系统应用，或一些导航及信息娱乐系统。可以使用反向转换器或 SEPIC 拓扑等解决方案来解决这一问题，但是所需变压器类型带来的电感的额外费用和空间使其对客户而言不那么具有吸引力。

　　降压-升压拓扑结构是一种即使在输入电压与输出电压交叉的情况下亦可提供恒定输出电压，同时仅配置单个线圈的简单解决方案。即在一个拓扑中既包含了降压转换器又包含了升压转换器。两种不同模式之间的无缝转换实现了在所有输入电压情况下保持稳定且连续的输出电压。

　　当两种不同拓扑组合在一起时，与简单降压或简单升压所需要的一个开关和一个二极管相比较，该非同步降压-升压转换器(见图 3)需要两个开关和两个二极管。为了提高整个系统的效率，可以用开关取代两个二极管。现在该拓扑看起来就像是一个带有电感器的完整的 H 桥接(见图 4)。

图3 非同步降压-升压转换器


图 4 同步降压-升压转换器

　　这些器件的一般功能可以细分为三种运行模式：

　　1、 输入电压高于输出电压的降压模式;

　　2、 输入电压低于输出电压的升压模式;

　　3、 输入电压在输出电压范围内的转换。

　　降压模式运行

　　就降压模式下的运行而言，输入电压总是高于输出电压。该功能与基本降压拓扑相类似。转换器升压开关(B1 和 B2)在该模式下不进行转换。开关 B1 总是闭合，以允许电流从电感器流至输出电容器;开关 B2 必须开启，以避免输出端至 地之间出现短路。

　　在“开启时间”开关期间，A1 闭合以实现对电感进行充电(见图 5)。在这一阶段，电流从输入端流出，经过开关 A1、线圈和开关 B1，流入输出电容器。

图 5 “开启”阶段的降压转换器电流流向

　　在该循环的第二阶段(关闭期间)，A1 开启，同时开关 A2 闭合(见图 6)。磁性充电线圈使电流从地流出，经过开关 A2线圈和开关 B1，流入输出电容器(也称作空转轮)。

图 6 空转轮阶段的降压转换器电流流向

　　在一个非同步拓扑中，用一个二极管作为无源空转轮元件替换开关 A2。这就减少了所需驱动器和 FET 的数量，但同时也降低了转换器的效率。该运行中开关占空比取决于式 1 中所示的输入与输出电压之比(见图7)。

图 7 降压转换阶段的电流波形 

　　式 1

　　升压模式运行

　　就升压模式运行而言，输入电压总是低于输出电压。该器件在基本升压拓扑中运行。转换器的降压开关(A1 和 A2)在该模式下不进行转换。开关 A1 总是闭合，以允许电流从输入端流至电感;开关 A2 必须开启，以避免输入端至地之间出现短路。

　　在“开启时间”阶段，开关 B2 闭合以实现对电感进行充电(见图 8)。在该阶段，电流从输入端流出，经过开关 A1、线圈和开关 B2，流入地。

图 8 开启阶段的升压转换器电流流向

　　在循环的第二阶段(关闭期间)，开关B2开启，同时开关B1闭合(见图 9)。磁性充电线圈使电流从输入端流出，经过开关 A1、线圈和开关B1，流入输出电容器。

图 9 空转轮阶段的升压转换器电流流向

　　就一个非同步拓扑而言，用一个二极管作为无源空转轮元件替换开关 A2，这样做的结果与“降压模式运行”中所提及的一样。该运行中的开关占空比也取决于式2中的输入与输出电压之比(见图10)。

图 10 升压开关阶段的电流波形

　　式 2

　　转换运行

　　当输入和输出电压基本一样时，仅一个基本降压模式或基本升压模式不能保证得到一个稳定的闭合环路可控输出电压。一种可能性是在某个输入电压值时从一个模式转换到另一个模式(阈值电压对稳定性具有滞后作用)。另一种方式是在改变转换时钟周期内进行降压和升压，以确保得到稳定的输出电压，以及较好的瞬态响应(见图11)。

图 11 不同开关切换阶段和运行模式下的电流及电压波形

　　结语

　　目前市场上有多种产品可以帮助用户处理包括冷启动、抛负载以及电池耗尽等由12V 仪表板宽电压范围引起的许多问题。例如全面集成5V、1A 降压-升压转换器的TPIC74100，该产品在无需价格昂贵、体积硕大的变压器型电感的情况下仍可保持一个稳定的输出电压，由此实现了电池电压在宽变化范围下的完美应用。