适用于汽车冷起动应用的双开关降压/升压技术

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美国国家半导体应用工程师 Michele Sclocchi/Frederik Dostal

       一般来说，我们采用降压升压拓扑型拓扑来解决汽车应用中的宽阔输入电压范围及冷起动需求。本文将详细解释冷起动的要求，并介绍两种不同的解决方案。其中一种是传统的SPEIC拓扑，而另一种是较新的多开关降压/升压拓扑。

         下文将阐述每种方案的优劣势，并且将着重指出双开关降压/升压拓扑相对于传统SEPIC拓扑的优势。此外，本文还会结合美国国家半导体最新推出的LM5118仿电流模式降压/升压控制器来作应用说明。

冷起动条件

       起动汽车其实就是通过电力起动马达驱动内燃机。电力起动马达消耗动力由汽车电池提供。启动马达需要的大负载将导致电池电压逐渐下降。对于汽车起动来说，最坏的情况就是"冷起动"。这种情况发生在温度极低的环境中，低温环境会使汽车冷起动更加困难。当汽车处于气温极低的环境时，内燃机的转动阻力会升至最高，因此需要较大的机械力量才能发动起来。因此，电力起动马达所消耗的峰值电流将比在温暖环境下发动时更高。另一个 在"冷起动"情况下的影响因素是汽车电池的电压会随着气温下降而下降，并且电池越旧则下降的幅度越大。

       上述两个低温效应会使汽车电池的最小供电电压大幅下降。ISO7637标准制订了汽车于冷起动条件下的基本电压波形。图1表示出冷起动条件下的电压特性，其一般将电压定义为两个电压水平。首先，当电力起动马达开始转动去克服初始机械阻力时，供电电压便处于最低。接着机械系统运行起来，所需的电压也随之增大。最后，当电力起动马达被关闭后，系统电压便会返回正常水平。




        为了在宽阔的输入电压范围下提供高精确度的输出电压调节，必须用适当的控制方法驱动两个开关MOSFET，以便为降压与降压/升压模式之间提供一个顺畅的过度。该控制器可根据输入输出的条件以三种不同的模式运行：

1.降压操作 Vin >Vout：假如Vin 大于Vout一个足够的份量，调节器便会以一个传统的降压稳压器形式来运行。在这模式下，降压转换函数为Vout/Vin = D，其中D是Q1的占空比，而单纯的降压运行模式可确保得出最优的效率及调节效果。

      当Vin 相对Vout下降至占空比接近70%时，升压开关便会以一个最小的占空比被激活，使调节器进入一个软降压/升压模式(图3a)。




2.降压/升压操作 Vin≈Vout：随着Vin进一步降低至接近Vout，降压开关的占空比将会下降，与此同时升压开关的占空比则上升。这也使降压运行模式可以顺畅转换到升压运行模式。
3.降压/升压操作 Vin<Vout：随着Vin进一步下降低于Vout，降压与升压开关的占空比将会相同。其时，转换器会以一个全降压/升压模式来运行，而降压/升压转换函数为Vout/Vin = D/(1-D)。其中D是开关MOSFET的Q1及Q2占空比(图3b)。

       配合这种运行模式，输出电压便可于Vin接近Vout时继续维持稳定，原因是期间没有发生电压突变，只是从降压与升压模式之间出现一个渐进的转换。

仿峰值电流模式控制方案

       为了确保输出电压可在宽阔的输入电压范围下进行调节，必须采用PWM电流模式控制方案。原因是电流模式控制可提供固有的线路前馈、逐周期性的电流限制及简单闭环补偿等特点。

      传统电流模式方案的唯一应用限制是它对电流感测路径上的噪声极其敏感，并难以配合高输入电压应用所需的低占空比。因此，美国国家半导体特别开发了一个全新的电流模式控制方案"仿电流模式"，将过往的应用限制一扫而空。

       仿电流模式可以重建电感器斜坡电流。具体方法是：首先测量续流二极管在开关周期结束时的电流，然后加上与电感器电流斜坡成比例的斜坡。为了模仿电感器电流的斜坡部份，一个外部电容器被一个固定电流充电，而该固定电流与输入和输出电压间的差别成比例。如此一来，最后出现在电容器的斜坡电压便可与电感器本身的斜坡电流形成比例关系。对于大于50%的占空比，电流模式控制电路会经常出现子谐波振荡，而在电流感测信号上加入一个固定斜率的电压斜坡信号(即斜率补偿)便可有效地预防这种振荡。此外，仿电流模式方案的另一个优点是当电路处于短路或超载时，电感器的电流不会出现失控，原因是该电流在降压开关被启动前已被取样。假如电感器电流过大，有关的周期便会被省略直至电流下降至过流阈值以下。

       斜坡、取样及保留直流电平、供PWM及电流限制用的仿斜坡信号、提供仿电流信号的消隐脉冲电平、具备与电感器电流相同斜率的仿斜坡。




SEPIC拓扑与单电感器降压/升压模式的比较

       SEPIC是另一种可于宽阔输入电压要求下进行输出电压调节的常用拓扑技术。该拓扑由一个升压/降压-升压级和一个降压级组合而成。SEPIC是Single Ended Primary Inductance Converter的字首缩写，也就是单端初级电感转换器。字面中的单端表示只用一个开关来把能量送入转换器内。

SEPIC转换器的功能可通过观察图5中的三个主要变换级来说明：
1)图5上方表示了SEPIC于开关闭合前的初始状态。SEPIC的电容器必须被充电至VIN，其时的输出为0V，并且在所有元件中都没有电流。

2)当开关闭合时，电压VIN会被施加到电感器L1，这时通过L1的电流突然增加并把能量储存，情况就如升压拓扑一般。与此同时，相同的VIN亦会被施加到L2，而该电压则来自SEPIC电容器。这时，SPEIC电容器开始将能量通过流经L2的突增电流转移到L2上。在此期间，二极管处于反向偏置。

现在，电流在两个电感器中流动，即使开关再次断开也不会出现瞬变。

3)当开关断开时，流经L1的电流无处可走，只好经过SPEIC电容器流往输出电容器及输出端，而流经L2的电流亦必须流往输出端。

       为了让电流继续流经L1，开关上的电压会被提升到VIN+VOUT+VDIODE的水平，而流经SEPIC电容器的电流会再次把电容器充电，促使它能够于开关闭合时把能量传送到L2。

       在SEPIC电容器与L2之间存在一个能量平衡，可以帮助决定SEPIC电容器的数值，而该数值越小，操作便越稳定。

        SEPIC转换器的效率会低于一个纯升压或降压拓扑。这主要是因为受关联的外部元件数量增加所致。例如在电源路径中的第二个功率电感器和SEPIC电容器的损耗便会影响电路整体的效率。SPEIC电容器是SEPIC转换器中最关键的元素。因为所有的输出功率都需要流经它，所以会局限这种拓扑在较低功率方面的应用。

        比较降压/升压拓扑与SEPIC拓扑会发现：降压/升压只需一个电感器，而且电容器数量更少一个。当输入电压高于输出电压时，也就是大部份典型汽车常出现的情况，转换器便会以降压转换器的形式运行，以产生较低的输出纹波及为负载线路提供更高效率和更优的瞬态调节。此外，SEPIC拓扑还可能会因SEPIC电容器的寄生效应而引致更高的电磁干扰噪声。

图6是一个以LM5118仿电流模式降压/升压控制器来实现的降压/升压拓扑实例。





结论


        在汽车冷起动应用中，单电感器降压/升压控制器较传统的SEPIC转换器具有更多的优势：更高的效率、更优的动态性能及更低的电磁干扰噪声。