汽車啟動/停止系統電源方案
2013-12-17 10:05:00 本站原創作者：安森美半導體資深現場應用工程師Mark Scholten
為了限制油耗，一些汽車制造商在其新一代車型中應用了“啟動/停止”(Start/Stop)功能。當汽車停下來時，這些創新的新系統關閉發動機；而當駕駛人的腳從剎車踏板移向油門踏板時，就自動重新啟動發動機。這就幫助降低市區駕車及停停走走式的交通繁忙期時的油耗。
但這樣的系統為汽車電子帶來了一些獨特的工程挑戰，因為當發動機重新啟動時，電池電壓可能降到6.0 V甚至更低。此外，典型電子模塊包含反極性二極管，用以在汽車跳接啟動(jump started)而跳接線纜反向的事件中保護電子電路。二極管導致電池電壓又下降0.7 V，使下游電路的電壓僅為5.3 V或更低。由于許多模塊仍要求5 V供電，此時電源就沒有足夠的余量來恰當工作。
一種解決途徑是采用升壓電源。升壓電源接受較低的輸入電壓，并在輸出端產生較高的電壓。目前供應商正在電子模塊的前端使用某種類型的升壓電源，使其能夠在由啟動/停止系統導致的壓降條件下恰當工作。下文將審視設計人員可用于這些啟動/停止系統的不同方案，包括低壓降(LDO)穩壓器、電池反向保護方案，以及各種升壓選擇。
就像大多數工程問題一樣，解決問題的方法也是多種多樣。如果電池電壓在輸入端僅降至6 V，那么，首選及最簡單的方案就是探尋僅要求<0.3 V余量的極低壓降線性穩壓器。這種方案適用于電流要求較低的模塊，但對于需要更大電流的模塊而言，設計人員就需要更多的選擇了。
另一種方案是以肖特基二極管或P溝道MOSFET替代用于在前端進行電池反向保護的標準P-N結二極管。蕭特基二極管的正向壓降約為標準整流器的一半，因此，它增添了零點幾伏的電壓余量。改用肖特基二極管足夠簡單直接，因為它通常恰好適用于跟標準二極管一樣的PCB焊盤，無須變更布線。但P溝道MOSFET(簡稱P-FET)要求變更PCB，還要求一些額外電路。
圖1：采用P溝道MOSFET提供電池反向保護
圖1顯示了要求使用的3個元件，包括P-FET、齊納二極管及電阻。需要選擇恰當大小的P-FET，使其可以處理施加在模塊輸入端的電壓，以及所要求的負載電流。此外，顧及系統散熱要求很重要，因為FET的功率耗散等于電流的平方乘以FET的導通電阻。齊納二極管保護MOSFET的柵極氧化物免受由過壓條件導致的操作。大多數P-FET的柵極至源極連接能夠處理15至20 V電壓，故齊納二極管必須設定為在此點之前鉗位。電阻將柵極下拉至地電平以導通P-FET，但也必須恰當選擇電阻的大小。電阻的阻抗不能太低，因為阻抗太低的情況下會讓過大電流渡過齊納二極管，因而滋生齊納二極管的功率耗散問題。然而，如果電阻的阻抗太大，在此情況下P-FET的導通可能不會如所傾向般牢靠，而這方案的構思是希望降低由漏極至源極兩端的電壓。
很可能的情況是，上述某種方案，或是某些方案的組合，將適合給定應用。但如果輸入電壓實際降到5 V以下，會發生什么情況？某些制造商在審視冷車啟動(cold cranking)條件下輸入電壓會否降至4.5 V。三種最常見的開關穩壓器就是升壓電壓電源、降壓/升壓電源以及單端初級電感轉換器(SEPIC)電源。
圖2：不同升壓電源拓撲結構
升壓電源使用1個電感、1個N溝道MOSFET(即N-FET)、1個二極管及1個電容。它的設計最簡單，但也有一些缺點。如果輸出短路，就沒有辦法來保護它，因為輸入與輸出之間存在直接通道。此外，當輸入電壓上升至高于輸出電壓設定點時，就沒有辦法來避免輸出電壓也上升，因為輸入電壓會恰好經過電感和二極管，到達輸出。
例如，汽車中的大多數模塊必須通過負載突降(load dump)測試。此測試產生電壓尖峰(voltage spike)，并且施加在輸入電壓上。在升壓電源中，此電壓尖峰會傳播至輸出。因此，如果40 V尖峰沿著線路傳播，任何連接至輸出電壓的電路都必須能夠處理這樣高的電壓。
另一種可能的開關穩壓器選擇就是非反向(non-inverting)降壓/升壓設計。此設計僅使用1個電感和1個電容，但要求使用2個開關和2個二極管。但此方案確實使設計人員能夠在輸入電壓升高至高于輸出電壓時避免輸出電壓上升。它還能夠使用第一個開關(FET1)開路來提供輸出短路保護。此設計的不足就在于其能效，因為需要顧及2個二極管及2個開關的損耗問題。
SEPIC設計在布線方面與直接升壓轉換器非常類似，不同的是這種設計增加了1個接發電感及1個DC阻斷電容。這種設計不利的一面就是又增加了1個電感和1個電容，但有利的一面是，不再存在跟輸出短路的相關問題，因為DC阻斷電容此時已與輸出串行連接。這樣一來，輸出不再受輸入電壓影響，所以它可以低于或高于輸入電壓。
需要指出的是，盡管上面已經列舉了所有開關拓撲結構，但仍然需要電池反向保護方案，因為反向電流可能經由FET背部的體二極管(body diode)從地電平流至輸入電壓。
總而言之，在啟動/停止交流發電機系統設計方面，要顧及的問題有很多。本文僅探討了電子模塊的電源問題，但也還有其它問題需要予以應對。例如，在電壓下降時，內部照明及外部照明都會變暗。內部照明閃爍問題也很惱人卻又并非至關重要，而剎車燈及前照燈影響安全性，因此電源需要使這些汽車內/外照明維持亮度并持續工作。有利的是，如今市場上有解決這些問題的方案。
