能源新语智能化汽车电子系统发烧,DC-DC转换器设计挑战更巨

牛喀网2019-02-26 06:49:24

作者:John Constantopoulos/Sanmukh Patel/Brad Little

随着汽车电子功能益趋复杂化,为能在不同的运作条件下,提供更高的负载能量与更宽的温度运作范围,遂使开关模式电源设计门坎升高,将成为汽车电源芯片与系统业者面临的一大考验。

汽车工业对于电源管理的要求日益严苛,须达成在更宽输入电压、更高电流及更高温度极值等条件下进行电源供应,因此使得具弹性大、可配置和散热效率佳特性的开关模式电源设计成为主流。开关模式电源供应的核心组件为直流对直流(DC-DC)转换器。现今的汽车转换器必须支持不同的运作条件,如低压运作(冷启动)与正极瞬时生存能力(抑制或未抑制的负载突降状态)。汽车子系统的出现带来更高的负载需求,使得这些转换器设计更加复杂。以下概述汽车电源供应的需求。

汽车电源供应须支持负载突降

几乎所有直接连接汽车电池的电子组件与电路,都须要防范抑制的瞬时电压(高达60伏特)与反向电压状态。一般来说,汽车内的电子电路的电源供应线路必须能够承受某种程度的过电压,汽车系统的情形更是如此,供应任一特定汽车电子系统的主电源输入,必须能够承受瞬时电压状态,包括发电机的负载突降。

由于发电机的控制回路无法更快速地关闭,因此,当电池的电压消失时,会产生高输出电压脉冲。在汽车的某个中央位置,此一高能量脉冲通常会被控制(抑制)至较低的电压,但汽车制造商仍会为供货商订定电源供应输入时的预期剩余过压。这类规格在汽车制造商之间各不相同,但是家用汽车的标准峰值约为40伏特;而商用汽车约为60伏特。负载突降所造成的脉冲,一般会持续十分之几秒。(图1)显示该负载突降状态下的一般脉冲。

 

图1 负载突降瞬时

调节输出电压实现汽车冷启动应用

汽车环境对于电源管理IC的需求与日俱增,其中一项需求是让电源管理IC能够在更宽范围的电压偏移下运作,此在直接连接电池的电子系统相当常见,这类瞬时可藉由冷启动脉冲来说明(图2)。在寒冷的环境下,第一次启动汽车时,若温度相当低(降至结冰的温度),引擎用油可能会变得黏稠,并且要求马达提供更高的功率(扭矩),加重马达的负载,进而使得电池必须提供更多的电流。在点燃引擎的过程中,重负载要求可以将电池电压下调至3伏特。

 
图2 输入电压变化——冷启动

其中的挑战是,某些应用必须在此过程中保持运作。这些应用并非局限于动力系统的电子控制单元(ECU)或安全性重要应用,在某些丛集与信息娱乐子系统中也会出现。此种情形产生时,电源管理IC必须对输入电压进行升压,以维持适当的调节输出电压,最终确保这些电子系统能够正常运作。

可用于升压/降压转换的拓扑类型,包含单端初级电感转换器(SEPIC)或单纯的降压/升压转换器。

SEPIC转换器供应降压转换

SEPIC转换器可提供降压转换,直到输入电压等于或低于输出电压。然后,DC-DC转换器便会提供升压转换,直到电池电压降至输入电压所允许的最小值为止。使用SEPIC的主要缺点是,转换器需要一个单耦合电感(变压器)或两个独立电感,以及一个耦合电容(图3)。这些电感与线圈的体积相当大,会占用印刷电路板(PCB)许多空间,此将不适于对维持体积尺寸与印刷电路板空间要求严苛的应用。

 
图3 使用两个独立电感的SEPIC拓朴

降压升压转换器需求更加殷切

在汽车应用中,过去几年来对于降压升压转换器的需求急速提高,此对须要在电压瞬时期间继续运作的应用来说特别有益,如冷启动。

降压升压转换器属于DC-DC转换器的一种,可让其输出电压的量值高于或低于输入电压的量值。这是一种开关模式电源供应,具有类似于升压转换器与降压转换器的电路拓扑,而输出电压可根据开关晶体管的负载周期进行调节。

此类拓扑包含降压功率级和其两个功率开关,并通过功率电感连接升压功率级及其两个功率开关。降压升压模式、降压模式与升压模式运作模式可以控制这些开关。特殊IC的运作模式是输入输出电压比率的函数,以及IC的控制拓扑。

TPIC74100-Q1是一种降压升压的切换式调节器(图4),能够以电源供应的形式进行运作,确保在输入电压偏移与特定负载范围的情况下,保持稳定的输出电压。

 
图4 TPIC74100概览

该调节器具有电压模式控制的整合开关,并以同步配置进行设计,藉以提升整体效率。通过某些外部组件(LC组合),此装置可将输出调节至5V±3%,达到宽输入电压范围,以便用于多种高输入电压应用。此装置也提供重设功能,用来检测与指示5伏特输出电轨是否超出指定容差。使用REST端子的外部时序电容,即可设定此重设延迟。TPIC74100具有频率调节机制,能够在带宽上扩散频谱噪声,使系统设计符合电磁兼容性测试的要求,而非以特定频率达到峰值。

5Vg输出是切换式5伏特调节输出,其中具有内部电流限制功能,能够在驱动电源供应线路的电容负载时防止复位针(Reset)的出现。此一功能是由5Vg_ENABLE端子进行控制,若此输出(5Vg输出)有接地短路,则输出会以截波模式运作,以达到自我防护的效用;然而,在此故障状态下,会增加输出电压(VOUT)的输出链波电压。

依输出入电压进行降压/升压转换

运作模式会依据输入电压(Vdriver)与输出负载条件,自动在降压模式与升压模式之间进行切换(图5)。

 
图5 降压升压配置

在正常运作模式中,会将系统配置为降压转换器。然而,在低输入电压脉冲期间,装置会自动切换为升压模式运作,以维持5伏特调节。当输入电压介于5.8~5伏特之间,并在某些负载条件下,此交越阶段便会切换为升压模式。

当装置在升压模式下运作,而且Vdriver出现在5.8~5伏特的交越阶段时,输出调节可能会包含高于正常情况的链波,并仅维持3%的容差。这种链波与容差会依据负载条件而定,因此会随着负载条件的提高而获得改善。

低功耗运作适用于电力系统/丛集应用

在动力系统与仪表板丛集一类的应用中,须要以低功耗模式运作,才能在汽车点火关闭时,将功耗降至最低。TPIC74100-Q1具有输入连接电源管理(LPM),经过启用后,便会在轻负载期间(一般低于30毫安)以脉冲频率调节(PFM)进行运作。在大多数的系统中,内存装置须要在点火关闭期间维持部分电源以留存数据,此电量一般都低于100微安培。若要支持该运作模式,模块耗用的总电源量不会超过300微安培。TPIC74100-Q1的低功耗模式提供150微安培的静态电流,通过切换频率的变化,即可完成调节。

在PFM的模式中,输出负载的电流负载的容量不会下降。在此模式之下,转换器的效率会降低,且由于负载电流提高,其输出电压链波会比在PFM模式略大。低功耗模式的功能可让降压模式进行运作;在升压模式条件下,此装置会自动以PWM模式运作。启用低功耗模式后,降压与升压之间的切换,同时会成为脉冲宽度调变(PWM)模式及PFM模式之间的切换。

在许多汽车应用中,汽车瞬时电压的问题仍将不断地面临挑战。对于须要在这些状态下持续维持运作的众多汽车电源管理系统,或者是电池电压降于所需输出电压的非预期状况,降压升压转换器能够发挥极大的效用。

TPIC74100-Q1汽车降压升压转换器可简化汽车环境的设计,并使设计工程师节省外部组件与PCB空间(整合功率开关与同步运作)。TPIC74100-Q1采用具有导热垫片的二十接脚PWP封装,指定的温度范围介于-40~+125℃之间。

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