汽车电子应用中的冷启动

对于许多汽车环境中的应用与ECU来说，由电池及发电机所提供的电压会有不足的问题，首先必须转换至正确的电压水平。一般会使用DC/DC切换式电压调整器与线性稳压器来达成这个目标。本文将着重于切换式稳压器的讨论，因为线性方案无法产生高于输入电压的输出电压。
   　　最常使用的拓朴为降压转换器(图 1)，只需要单一电感以及一组二极管与开关，就可以达成切换式DC/DC方案中最简单、最节省成本的选择之一。然而唯一的缺点是，这种方法只能产生低于输入电压的输出电压。 如果输出电压需要高于输入电压，可以使用「反向」拓朴或升压转换器(图 2)。这种拓朴所需的组件相似，但是可以产生高于输入电压的输出电压。
   
   　　图 1：基本的降压转换器
   　　
   
   　　图 2：基本的升压转换器
   　　由于汽车板网电压的变动幅度相当大(启动时可低至 3.5V，在箝位负载突降期间也可高至 45V)，因此在有些ECU的应用中，一定会产生输入与输出电压互相跨越的情形。启动过程中(发动引擎)绝不允许突然失能，特别是动力系统应用或某些导航及信息娱乐系统，这个问题可以透过使用返驰转换器或SEPIC 拓朴得以解决，不过所需变压器型电感的额外成本及空间较大，对客户来说较不具吸引力。
   　　即使输入电压跨越了输出电压值，升降压拓朴仍然可以提供稳定的输出电压，并兼具只使用单一线圈的简单设计，在同一个拓朴中，结合了降压与升压转换器。两种不同模式间的无缝转换，可以在所有输入电压状况下，产生稳定不中断的输出电压。
   　　
   
   　　图 3：异步升降压转换器
   　　在此结合了两种不同的拓朴，因此相较于使用一组开关及二极管的单纯降压或升压方式，异步升降压转换器需要使用两组开关及二极管(图 3)。为了提升整体效能，可以用开关取代二极管， 现在的拓朴结合电感看起来类似于完整的 H 桥(图 4)。
   　　
   
   　　图4 开关取代二极管
   　　这些装置的一般功能，可再细分为三种操作模式:
   　　1.输入电压高于输出电压时的降压模式
   　　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中的转移
   　　降压模式操作
   　　在降压模式中的操作，输入电压一定高于输出电压，在功能上类似于基本的降压拓朴。在降压模式中，转换器的升压开关(B1 与 B2)不会进行切换，B1 开关一定处于关闭状态，这样可让电流由电感流至输出电容器。B2 开关一定要开启，以免造成输出至接地 (GND) 的短路。
   　　在切换为「导通时间」时，会关闭 A1 开关，以对电感充电(图 5)。在此周期中，电流由输入处流经 A1 开关、线圈以及 B1 开关，并进入输出电容器。
   　　
   
   　　图 5：导通阶段的降压转换器电流流向
   　　在周期的第二阶段中(关闭时间)，A1 开关会开启，A2 开关则会关闭(图 6)。充磁线圈会迫使电流由 GND 流经 A2 开关、线圈、B1 开关，然后进入输出电容器(又称为飞轮)。
   
   　　图 6：飞轮阶段的降压转换器电流流向
   　　在异步拓朴中，以二极管取代了 A2 开关作为被动飞轮组件。这可减少驱动器与场效晶体管 (FET) 的使用数量，但是也降低了转换器的效能。在此操作中的切换负载周期，其依据为方程式 1 所示的输入输出电压比。
   　　
   
   　　图 7：降压切换阶段的电流波形 升压模式操作
   　　在升压模式操作中，输入电压一定低于输出电压，装置会以基本的升压拓朴操作。转换器的降压开关(A1 与 A2)不会在此模式中进行切换。A1 一定会关闭，让电流由输入流至电感;A2 一定要开启，以免造成输入至 GND 的短路。
   　　在切换为「导通时间」时，会关闭 B2 开关，以对电感充电(图 8)。在此周期中，电流由输入处流经 A1 开关、线圈以及 B2 开关，并进入 GND。
   　　
   
   　　图 8：导通阶段的升压转换器电流流向
   　　在周期的第二阶段中(关闭时间)，B2 开关会开启，B1 开关则会关闭(图 9)。充磁线圈会迫使电流由输入处流经 A1 开关、线圈、B1 开关，然后进入输出电容器。
   　　
   
   　　图 9：飞轮阶段的升压转换器电流流向
   　　在异步拓朴中，以二极管取代了 B1 开关作为被动飞轮组件。最后结果与「降压模式操作」中说明的内容相同。在此操作中的切换负载周期，其依据为输入输出电压比(方程式 2)。
   　　
   
   　　图 10：升压切换阶段的电流波形
   　　转移操作
   　　如果输入与输出电压非常接近，单独使用基本的降压或升压模式，都无法维持由封闭回路控制的稳定输出电压。一项可能的作法，就是在特定的输入电压水平，切换不同模式(为了稳定性，电压阈值具有磁滞现象)。另一种方式可能要以交替切换频率周期的做法，共同操作降压与升压模式，以确保稳定的输出电压及良好的瞬时响应。
   　　
   
   　　图 11：不同操作阶段与模式中的电流及电压波形
   　　结论
   　　很多产品可以协助客户解决 12V 板网电压范围宽广延伸的挑战，如冷启动状况、负载突降，或电池耗尽等等。例如TI的TPIC74100 这类完全整合的 5V 1A 升降压转换器，可以维持稳定的输出电压，也不需要昂贵笨重的变压器型电感，因此可以确保应用装置在各种电池电压的状况下，进行完整操作。