汽车电子应用中的冷启动

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        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

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