2.7V 至 40V 單片降壓-升壓型 DC/DC 轉換器增強了輸入功能 在汽車(chē)冷車(chē)發(fā)動(dòng)和負載突降瞬態(tài)時(shí)能無(wú)縫地穩定電壓

過(guò)渡汽車(chē)負載突降和感應電壓瞬態(tài)

對于常用電源而言，汽車(chē)電源軌是對電源最具挑戰性的輸入之一。其標稱(chēng)電壓在 10.6V 至 15V 范圍內變化，取決于電池充電狀態(tài)、環(huán)境溫度以及交流發(fā)電機是處于充電還是空閑狀態(tài)。除了標稱(chēng)電壓的變化，汽車(chē)電源軌還受到多種動(dòng)態(tài)干擾，這些干擾由以下因素的變化引起：發(fā)動(dòng)機 RPM;電動(dòng)車(chē)窗、擋風(fēng)玻璃刮水器、空調等過(guò)渡負載;束線(xiàn)配線(xiàn)中的感應瞬態(tài)。

不過(guò)，最極端的情況發(fā)生在負載突降瞬態(tài)時(shí)，這種瞬態(tài)可能產(chǎn)生超過(guò) 120V、持續數百微秒的電壓。當交流發(fā)電機給汽車(chē)電池充電且電氣開(kāi)路引起電池與交流發(fā)電機短暫斷接時(shí)，就會(huì )發(fā)生負載突降瞬態(tài)。在穩壓器響應之前，交流發(fā)電機的全部充電電流都直接加在了汽車(chē)電源總線(xiàn)上，從而有可能將其電壓提高到很危險的水平。這類(lèi)瞬態(tài)可能由機械師修理車(chē)輛時(shí)從物理上斷開(kāi)電池連接引起，也有可能由電池電纜中錯誤的連接或電池端子腐蝕導致。

汽車(chē)電子系統還必須設計成能承受雙電池猛然起動(dòng)情況，在這種情況下，當用串聯(lián)連接的第二個(gè)電池或具備雙電池電氣系統的商用車(chē)輛猛然啟動(dòng)汽車(chē)時(shí)，汽車(chē)電子系統要在較長(cháng)時(shí)間內承受 24V 電壓。汽車(chē)總線(xiàn)上的另一種過(guò)壓情況是由交流發(fā)電機穩壓器故障引起的，在汽車(chē)電子系統 OEM 進(jìn)行的電池測試中，常常包括對這種過(guò)壓情況的測試。這種故障可能導致交流發(fā)電機的充電電流全部加到電池上，并產(chǎn)生大約為 18V 并持續較長(cháng)時(shí)間的過(guò)高電壓。

切換大功率負載會(huì )引起負載快速變化，汽車(chē)電源軌還會(huì )受到這種變化導致和持續時(shí)間很短的過(guò)壓瞬態(tài)影響，這類(lèi)大功率負載包括與汽車(chē)束線(xiàn)配線(xiàn)中很大的電感相互作用的電動(dòng)車(chē)門(mén)、風(fēng)扇以及冷卻風(fēng)扇電動(dòng)機。

在大多數汽車(chē)中，由低通 LC 濾波器和瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 陣列組成的無(wú)源保護網(wǎng)絡(luò )被用作第一道防線(xiàn)，以箝制電源總線(xiàn)的峰值擺幅。一般情況下，位于保護網(wǎng)絡(luò )下游的汽車(chē)電子系統必須承受高達 40V 的瞬態(tài)電壓而不被損壞。關(guān)鍵系統不僅必須承受而且還必須在通過(guò)這類(lèi)瞬態(tài)時(shí)無(wú)縫地工作，并且無(wú)中斷。圖 4 說(shuō)明，LTC3115-1 能保持 5V 電源軌的不間斷調節，以 1ms 上升和下降時(shí)間通過(guò) 13.8V 至 40V 短暫電壓瞬態(tài)。

圖 4：13.8V 至 40V 負載突降電壓瞬態(tài)

10V/DIV：每格 10V

在汽車(chē)冷車(chē)發(fā)動(dòng)瞬態(tài)時(shí)無(wú)縫工作

高壓瞬態(tài)在汽車(chē)電源總線(xiàn)上是個(gè)問(wèn)題，但是也許更具挑戰性的問(wèn)題是欠壓瞬態(tài)。最嚴重的欠壓瞬態(tài)是由冷車(chē)發(fā)動(dòng)引起的，最初啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機時(shí)，會(huì )發(fā)生冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況。

典型的冷車(chē)發(fā)動(dòng)電壓波形如圖 5 所示。最初的穩定低壓是最極端的情況，當發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)器開(kāi)始轉動(dòng)完全停止的發(fā)動(dòng)機時(shí)，就會(huì )引起這種情況。在這個(gè)階段，汽車(chē)的總線(xiàn)電壓可能降至低于 4V。更冷的溫度會(huì )使情況惡化，因為機油粘性越大，要求發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)器提供的扭矩就越大。第一個(gè)穩定期之后，是第二個(gè)電壓稍高一點(diǎn)的穩定期。在啟動(dòng)器保持發(fā)動(dòng)機轉動(dòng)的同時(shí)，第二個(gè)穩定電壓一般接近標稱(chēng)電池電壓的一半。一旦發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)完畢，電池就恢復到標稱(chēng)電壓。

圖 5：12V 至 4.5V 冷車(chē)發(fā)動(dòng)電壓瞬態(tài)

在發(fā)生冷車(chē)發(fā)動(dòng)瞬態(tài)時(shí)，安全裝置以及發(fā)動(dòng)機的關(guān)鍵組件 (例如: 發(fā)動(dòng)機控制單元、燃料注入系統等) 都要從始至終保持運行。如圖 5 所示，在發(fā)生欠壓情況時(shí)，自動(dòng)和無(wú)縫地切換到升壓工作模式，LTC3115-1 的降壓-升壓型架構使該器件能保持輸出穩壓，因而可通過(guò)即使最嚴重的冷車(chē)發(fā)動(dòng)瞬態(tài)。

由于當今的汽車(chē)包括了自動(dòng)化節油、按需引擎起/停 (當車(chē)輛遭遇紅燈或在車(chē)流中短暫停駛時(shí)，汽車(chē)的引擎被關(guān)閉) 等功能，因此冷車(chē)發(fā)動(dòng)能力對于汽車(chē)電子而言其重要性有所增加。配備按需起動(dòng)功能的汽車(chē)容易遇到頻繁的欠壓發(fā)動(dòng)過(guò)程。因此，以前在傳統汽車(chē)偶爾的冷車(chē)發(fā)動(dòng)過(guò)程中無(wú)需運行的輔助電氣組件，如今也必須在此類(lèi)瞬變期間運作，以消除其對信息娛樂(lè )、導航、儀表板電子裝置和照明系統的任何干擾。