汽车启动/停止系统电源方案

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作者：安森美半导体资深现场应用工程师Mark Scholten
         
        为了限制油耗，一些汽车制造商在其新一代车型中应用了“启动/停止”(Start/Stop)功能。当汽车停下来时，这些创新的新系统关闭发动机；而当驾驶人的脚从刹车踏板移向油门踏板时，就自动重新启动发动机。这就帮助降低市区驾车及停停走走式的交通繁忙期时的油耗。
         
        但这样的系统为汽车电子带来了一些独特的工程挑战，因为当发动机重新启动时，电池电压可能降到6.0 V甚至更低。此外，典型电子模块包含反极性二极管，用以在汽车跳接启动(jump started)而跳接线缆反向的事件中保护电子电路。二极管导致电池电压又下降0.7 V，使下游电路的电压仅为5.3 V或更低。由于许多模块仍要求5 V供电，此时电源就没有足够的余量来恰当工作。
         
        一种解决途径是采用升压电源。升压电源接受较低的输入电压，并在输出端产生较高的电压。目前供应商正在电子模块的前端使用某种类型的升压电源，使其能够在由启动/停止系统导致的压降条件下恰当工作。下文将审视设计人员可用于这些启动/停止系统的不同方案，包括低压降(LDO)稳压器、电池反向保护方案，以及各种升压选择。
         
        就像大多数工程问题一样，解决问题的方法也是多种多样。如果电池电压在输入端仅降至6 V，那么，首选及最简单的方案就是探寻仅要求<0.3 V余量的极低压降线性稳压器。这种方案适用于电流要求较低的模块，但对于需要更大电流的模块而言，设计人员就需要更多的选择了。
         
        另一种方案是以肖特基二极管或P沟道MOSFET替代用于在前端进行电池反向保护的标准P-N结二极管。萧特基二极管的正向压降约为标准整流器的一半，因此，它增添了零点几伏的电压余量。改用肖特基二极管足够简单直接，因为它通常恰好适用于跟标准二极管一样的PCB焊盘，无须变更布线。但P沟道MOSFET(简称P-FET)要求变更PCB，还要求一些额外电路。

                                              
        图1：采用P沟道MOSFET提供电池反向保护

         
        图1显示了要求使用的3个元件，包括P-FET、齐纳二极管及电阻。需要选择恰当大小的P-FET，使其可以处理施加在模块输入端的电压，以及所要求的负载电流。此外，顾及系统散热要求很重要，因为FET的功率耗散等于电流的平方乘以FET的导通电阻。齐纳二极管保护MOSFET的栅极氧化物免受由过压条件导致的操作。大多数P-FET的栅极至源极连接能够处理15至20 V电压，故齐纳二极管必须设定为在此点之前钳位。电阻将栅极下拉至地电平以导通P-FET，但也必须恰当选择电阻的大小。电阻的阻抗不能太低，因为阻抗太低的情况下会让过大电流渡过齐纳二极管，因而滋生齐纳二极管的功率耗散问题。然而，如果电阻的阻抗太大，在此情况下P-FET的导通可能不会如所倾向般牢靠，而这方案的构思是希望降低由漏极至源极两端的电压。
         
        很可能的情况是，上述某种方案，或是某些方案的组合，将适合给定应用。但如果输入电压实际降到5 V以下，会发生什么情况？某些制造商在审视冷车启动(cold cranking)条件下输入电压会否降至4.5 V。三种最常见的开关稳压器就是升压电压电源、降压/升压电源以及单端初级电感转换器(SEPIC)电源。
           

       
         
        图2：不同升压电源拓扑结构

         
        升压电源使用1个电感、1个N沟道MOSFET(即N-FET)、1个二极管及1个电容。它的设计最简单，但也有一些缺点。如果输出短路，就没有办法来保护它，因为输入与输出之间存在直接通道。此外，当输入电压上升至高于输出电压设定点时，就没有办法来避免输出电压也上升，因为输入电压会恰好经过电感和二极管，到达输出。
        例如，汽车中的大多数模块必须通过负载突降(load dump)测试。此测试产生电压尖峰(voltage spike)，并且施加在输入电压上。在升压电源中，此电压尖峰会传播至输出。因此，如果40 V尖峰沿着线路传播，任何连接至输出电压的电路都必须能够处理这样高的电压。
         
        另一种可能的开关稳压器选择就是非反向(non-inverting)降压/升压设计。此设计仅使用1个电感和1个电容，但要求使用2个开关和2个二极管。但此方案确实使设计人员能够在输入电压升高至高于输出电压时避免输出电压上升。它还能够使用第一个开关(FET1)开路来提供输出短路保护。此设计的不足就在于其能效，因为需要顾及2个二极管及2个开关的损耗问题。
         
        SEPIC设计在布线方面与直接升压转换器非常类似，不同的是这种设计增加了1个接发电感及1个DC阻断电容。这种设计不利的一面就是又增加了1个电感和1个电容，但有利的一面是，不再存在跟输出短路的相关问题，因为DC阻断电容此时已与输出串行连接。这样一来，输出不再受输入电压影响，所以它可以低于或高于输入电压。
        需要指出的是，尽管上面已经列举了所有开关拓扑结构，但仍然需要电池反向保护方案，因为反向电流可能经由FET背部的体二极管(body diode)从地电平流至输入电压。
         
        总而言之，在启动/停止交流发电机系统设计方面，要顾及的问题有很多。本文仅探讨了电子模块的电源问题，但也还有其它问题需要予以应对。例如，在电压下降时，内部照明及外部照明都会变暗。内部照明闪烁问题也很恼人却又并非至关重要，而刹车灯及前照灯影响安全性，因此电源需要使这些汽车内/外照明维持亮度并持续工作。有利的是，如今市场上有解决这些问题的方案。