汽車(chē)電子系統降壓型BUCK變換器的設計技巧

　目前高頻高效的DCDC 變換器在汽車(chē)電子系統中的應用越來(lái)越多。

　　高的開(kāi)關(guān)頻率可以使用較小的功率電感和輸出濾除電容，從而在整體上減小的系統的尺寸，提高系統的緊湊性，并降低系統的成本；高的工作效率可以提高汽車(chē)電池的使用時(shí)間，降低系統的功率損耗，從而減小系統的發(fā)熱量，優(yōu)化系統的熱設計，并進(jìn)一步提高系統的可靠性。

　　但高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì )降低系統的工作效率，因此在設計時(shí)必須在開(kāi)關(guān)頻率和工作效率之間作一些折衷處理。本文主要針對DCDC 降壓型BUCK 變換器應用于汽車(chē)電子系統時(shí)，探討包括上述問(wèn)題在內的一些設計技藝和注意事項，而且這些問(wèn)題往往是工程現在設計時(shí)容易忽略的細節。

　　1 實(shí)際的最小及最大輸入工作電壓

　　1.1 開(kāi)關(guān)頻率

　　開(kāi)關(guān)頻率必須在效率，元件的尺寸，最小的輸入與輸出電壓差，最大輸入電壓之間進(jìn)行折衷處理。高的開(kāi)關(guān)頻率可以減小電感和電容的值，因此可以使用較小體積和尺寸的電感和電容，并降低成本。但高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì )降低效率，并降低實(shí)際的最大的工作輸入電壓，以及要求更高的輸入輸出電壓差。

　　最高的開(kāi)關(guān)頻率可以由下式計算：



　　其中：f_{S（MAX ）}為最大的開(kāi)關(guān)頻率，t_ON（MIN）為開(kāi)關(guān)管要求的最小的導通時(shí)間， V_D 為續流二極管的正向壓降， V_OUT 為輸出電壓， V_IN 為正常工作的輸入電壓，V_{DS （ON ）} 為開(kāi)關(guān)管的導通壓降。

　　上式表明：t _ON（MIN） 一定時(shí)，低的占空比要求更低的開(kāi)關(guān)頻率才能保證系統安全的操作。同樣的，低的開(kāi)關(guān)頻率允許更低的輸入輸出電壓差。

　　輸入電壓依賴(lài)于開(kāi)關(guān)頻率的主要原因在于PWM控制器的具有最小的開(kāi)通t _ON（MIN） 和最小關(guān)斷時(shí)間t _OFF（MIN） 。如果其取值為150ns，也就是說(shuō)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)導通時(shí)間至少要持續150ns ， 低于150ns 可能導致MOSFET無(wú)法正常的開(kāi)啟；同樣的，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)關(guān)斷的時(shí)間至少要持續150ns，低于150ns可能導致MOSFET無(wú)法正常的關(guān)斷。這意味著(zhù)最小的占空比和最大的占空比為：



　　上式表明：開(kāi)關(guān)頻率降低時(shí)占空比的范圍增加，優(yōu)化的開(kāi)關(guān)頻率必須保證系統具有足夠的輸入工作電壓范圍，同時(shí)使電感和電容盡量的小。

　　1.2 實(shí)際的最大輸入工作電壓

　　通常芯片的輸入電壓有一定額定的工作電壓范圍，除了額定的工作電壓的限制，實(shí)際的輸入工作電壓還要受到其它一些條件的限制。最小的實(shí)際輸入工作電壓通常由最大的占空比來(lái)決定。BUCK 變換器的占空比為：



　　在輸入電壓最高時(shí)，占空比最小。最大的實(shí)際輸入工作電壓由PWM控制器最小的占空比決定：



　　如果輸出在起動(dòng)或短路的工作條件下，輸入的電壓必須低于以下的計算結果：



　　由此可知：低的開(kāi)關(guān)頻率可以在更高的輸入電壓時(shí)安全的操作。最短導通時(shí)間t _ON（MIN） 是每個(gè)控制器能夠接通高端MOSFET的最短持續時(shí)間。它由內部定時(shí)延遲以及接通高端MOSFET所需要的柵極電荷量決定。低占空比的應用可以接近該最短導通時(shí)間限制，并應注意確保：



　　如果輸出的電壓處于調節的狀態(tài)，系統也不是起動(dòng)和短路狀況，輸入電壓大于允許的實(shí)際最大輸入工作電壓，系統仍然可以工作，而與工作頻率無(wú)關(guān)。在這種狀況下，占空比降到最短接通時(shí)間能調節的水平以下，控制器將開(kāi)始進(jìn)入跳脈沖工作方式，即一些脈沖將被跳掉以維持輸出電壓的調節，此時(shí)輸出的電壓和電流紋波比正常工作狀態(tài)時(shí)輸出的電壓和電流紋波大。

　　通常，當峰值檢測電壓下降時(shí)， 每個(gè)控制器的最短接通時(shí)間將逐步增加，如在輕負載條件下，最短接通時(shí)間將逐步增加，在具有低紋波電流的強制連續操作應用中這一點(diǎn)特別重要，在這種情況下占空比降至最短接通時(shí)間限制以下，就會(huì )發(fā)生明顯的跳脈沖現象，電流和電壓的紋波會(huì )明顯的的增加。另外，電感的飽和電流通常取輸出電流的1.3倍以上，對于一些惡劣的工作條件如起動(dòng)和輸出短路以及高的輸入電壓，電感的飽和電流必須取更大的值，以保證系統安全的工作。

通常開(kāi)關(guān)頻率是固定，但是一些使用外部電阻設置開(kāi)關(guān)頻率的同步BUCK 控制器可以加一個(gè)穩壓管Z1 和限流電流R1 實(shí)現在輸入電壓增加時(shí)，降低開(kāi)關(guān)頻率，從而擴大輸入電壓的范圍，如圖1 所示。



圖1：高輸入電壓時(shí)降頻工作電路

　　這個(gè)電路帶來(lái)的問(wèn)題時(shí)，在高輸入電壓時(shí)，由于頻率降低，而電感值又一定，所以輸出的電流和電壓紋波增加。頻率在較寬的范圍內變化，電感無(wú)法優(yōu)化的工作，環(huán)路的補償無(wú)法優(yōu)化。通過(guò)增加穩壓管Z2 和限流電流R2 來(lái)設定系統的最低工作頻率，從而限制頻率變化的范圍。

　　1.3 實(shí)際的最小的輸入工作電壓

　　在輸入電壓最低時(shí)，占空比最大。使用同步BUCK 控制器，最小的實(shí)際輸入工作電壓由PWM 控制器最大的占空比決定：



　　最小工作電壓與最小關(guān)斷時(shí)間t _OFF（MIN） 的關(guān)系為：



　　由上式可知：t _OFF（MIN）一定時(shí)，高的開(kāi)關(guān)頻率將增加實(shí)際的最小的輸入工作電壓。若要更低的輸入工作的電壓，可以使用低的開(kāi)關(guān)頻率。在一些同步BUCK 控制器中，當輸入和輸出的壓差降低到一定的值時(shí)，系統將進(jìn)入占空比為100%的全導通或LDO 控制方式。

　　2瞬態(tài)最大峰值輸入電壓

　　隨著(zhù)電池供電設備越來(lái)越多進(jìn)入移動(dòng)應用領(lǐng)域，人們使用汽車(chē)的點(diǎn)煙器接通電源以使電池組在汽車(chē)行駛期間儲存電能甚至再充電。但接通前，注意：在接通到極惡劣的電源上，汽車(chē)內的主電源電纜產(chǎn)生一些潛在的瞬變，包括負載突降及電壓電壓倍增。負載突降是電池電纜松動(dòng)的結果。當電纜連接中斷時(shí)，交流發(fā)電機中的磁場(chǎng)會(huì )會(huì )產(chǎn)生一個(gè)高達60V 的正尖峰電壓，它能在幾百毫秒中衰變。電池電壓倍增是24V跳躍式起動(dòng)時(shí)性能比12V 更快讓冷車(chē)發(fā)動(dòng)的結果。

　　圖2 是保護DCDC 轉換器不受汽車(chē)電源線(xiàn)損壞的最簡(jiǎn)單直接的方法。

　　瞬態(tài)抑制器在負載突降期間對輸入電壓進(jìn)行箝位。注意：瞬態(tài)抑制器不應在雙倍電池電壓操作時(shí)導通，但仍必須將輸入電壓箝位在轉換器的擊穿電壓之下。



圖2：輸入TVS 保護電路