汽車(chē)電子系統降壓型BUCK變換器的設計技巧
作者：
時(shí)間：2012-07-12
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
收藏
英飛凌汽車(chē)電子生態(tài)圈
掃碼關(guān)注
獲取最新最全汽車(chē)電子
技術(shù)方案與實(shí)用技巧
陶瓷電容的尺寸小，阻抗低，工作的溫度范圍寬，很適合應用汽車(chē)電子中BUCK 變換器的輸入端旁路電容。但是在BUCK 變換器的輸入端插入工作的電源時(shí)，即熱插入，如汽車(chē)的點(diǎn)煙器，這些陶瓷電容會(huì )產(chǎn)生應用的問(wèn)題：低損耗的陶瓷電容與連接線(xiàn)的雜散電感由低阻抗的電源形成欠阻尼諧振環(huán)，產(chǎn)生振蕩，在BUCK 變換器的輸入端產(chǎn)生二倍的輸入電源電壓的尖峰，從而超過(guò)BUCK 變換器的輸入端允許的額定電壓，損壞器件。在這種工作條件下，必須設計輸入的吸收網(wǎng)絡(luò )阻止輸入電壓的過(guò)沖尖峰。下面的的波形展示了BUCK 變換器由一根6 英尺的雙絞線(xiàn)連接到24V 電源時(shí)的波形。圖3 是輸入僅加4.7uF 陶瓷電容的響應。輸入電壓的振鈴的峰值為50V，輸入電流的峰值為26A。
圖3：輸入僅加4.7uF陶瓷電容的響應
使用阻尼振蕩可以降低峰值的電壓，形成阻尼振蕩有二個(gè)方法：①輸入的陶瓷電容增加一個(gè)串聯(lián)電阻；②使用電解電容。鋁電解電容有高的ESR，可以形成阻尼，減小振蕩的過(guò)沖；其電容可以濾除低頻的紋波，此外，對系統的效率稍有提高。只是其體積相對較大。圖4為一個(gè)22uF的電解電容和一個(gè)4.7uF的陶瓷電容并聯(lián)加在輸入端時(shí)的響應，陶瓷電容濾除高頻紋波。輸入電壓的峰值明顯降低。
圖4：輸入為22uF電解電容并聯(lián)4.7uF陶瓷電容的響應
在輸入端加一個(gè)0.7歐姆的串聯(lián)電阻也可以減小電壓過(guò)沖，同時(shí)減小峰值的電流，0.1uF小的陶瓷電容濾除高頻紋波。如圖5（a）所示。
與電解電容方法相比，這種方法體積小成本低，在高的輸入電壓時(shí)對系統的效率影響并不大。但輸入電壓相對較低時(shí)，系統的效率略有降低。
（a）
(b)
圖5：輸入加串聯(lián)電阻的響應
3 散熱設計
功率MOSFET 選擇標準中包含導通電阻R DS （ON ） ，密勒電容C MILLER ，輸入電壓和最大電壓和最大輸出電流。CMILLER 可由MOSFET 的產(chǎn)品數據手則給出的柵極充電曲線(xiàn)近似求出。C MILLER 等于柵極電荷沿橫軸的增加，而曲線(xiàn)大約由VDS 的規定變化水平分割，然后由此結果與應用中施加的VDS 和柵極的充電曲線(xiàn)規定VDS 比值相乘。工作CCM 時(shí)高端和低端的MOSFET 占空經(jīng)由下式給出：
主開(kāi)關(guān)管占空比：D= VOUT /VIN。
同步開(kāi)關(guān)管占空比：V IN -VOUT /VIN 。
最大輸出電流條件下MOSFET 的功耗由下式給出：
式中：δ是R DS （ON ） 的溫度系數，R DR約為4 歐姆，是在MOSFET 密勒門(mén)限電壓條件下有效驅動(dòng)電阻，V THMIN是典型的MOSFET 的最小門(mén)限電壓。
兩個(gè)MOSFET 均具有I2R 損耗，而高端N 溝道的公式中包含一個(gè)用于計算轉換損耗的附加項，這在高輸入電壓條件最大。當VIN20V時(shí)采用較大的MOSFET 通?？商岣叽箅娏鞯男?，而當VIN>20V 時(shí)轉換損耗迅速增加。這時(shí)采用具有較高R DS （ON ）器件和較低C MILLER實(shí)際上可提供更高的效率。同步MOSFET 在高輸入電壓下，當高端工作于低占空比時(shí)或短路期間，同步管接近100%時(shí)間里處于導通狀態(tài)時(shí)，此時(shí)損耗最大。1+δ 項通常以一個(gè)歸一化的R DS （ON ） 與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)形式提供給MOSFET，但對于低壓MOSFET，δ =0.005/℃可被用作一個(gè)近似值。
肖特基二極管在兩個(gè)功率MOSFET 導通期間的死區導通，可以防止低端MOSFET 的體內二極管導通，在死區時(shí)間儲存電荷，形成反向恢復。在高VIN 條件下會(huì )導致效率減小至少3%。由于流過(guò)的平均電流相對較小，因此采用1 或3A 的肖特基二極管是一個(gè)較好的方案。
較大的二極管因其具有的結電容較大故會(huì )產(chǎn)生額外的轉換損耗。
效率與芯片的最高工作溫度相關(guān)。汽車(chē)電子所用的芯片通常為I或H級，對于I級，芯片的結溫必須小于125°C，對于H級，芯片的結溫必須小于150°C。對于許多單芯片的BUCK控制器，在低的環(huán)境溫度下，結溫一般不是問(wèn)題。但對于I級，環(huán)境溫度高于85°C時(shí)，必須小心仔細的進(jìn)行電路的設計以保證芯片能夠充分的散熱。對于H級，環(huán)境溫度高于125°C時(shí)，必須對最大的允許工作電流進(jìn)行降額設計。
結溫通過(guò)芯片的功率損耗乘以結到環(huán)境的熱阻Rja進(jìn)行計算。滿(mǎn)載時(shí)芯片的溫升幾乎完全不依賴(lài)于輸入電壓，不加散熱器時(shí)，熱阻取決于PCB的設計。在單芯片底部通常有一個(gè)裸露的襯墊，因此設計PCB時(shí)必須在對應的位置也相應的制作這樣的一個(gè)大銅皮焊盤(pán)，同時(shí)這個(gè)大焊盤(pán)通過(guò)一些過(guò)孔連接到其它的地層平面，以利于散熱。
4 輸入短路和反接保護
如果電感的飽和電流足夠大，BUCK控制器短路時(shí)由于具有短路保護功能，因此不會(huì )產(chǎn)生損壞。在一些電池充電系統中以及用電池作備份的系統中，電池以及其它的一些電源通過(guò)二極管以“與”的形式一起共同連接到BUCK控制器的輸出端時(shí)，當BUCK控制器輸入端斷開(kāi)時(shí)，輸出端仍有高的電壓。注意到BUCK控制器通常有一個(gè)/SHDN管腳到控制系統的工作與關(guān)斷，低電平有效，通常以作SS軟起動(dòng)功能。一般此管腳通過(guò)一個(gè)電阻或直接連接到輸入端。當輸入端浮空時(shí)，輸出電壓通過(guò)電感，內部高端的MOSFET反向并聯(lián)寄生二極管到輸入端，/SHDN管腳為高電平，這樣，BUCK控制器內部的電路通過(guò)電感從輸出電壓吸取幾個(gè)毫安的靜態(tài)的工作電流，影響電池的使用時(shí)間。當然如果/SHDN管腳為低電平，則此靜態(tài)的工作電流為0。如果輸入短路，輸出電壓通過(guò)電感，內部高端的MOSFET反向并聯(lián)寄生二極管到輸入端，從而導致輸出電壓也短路，這樣電池將會(huì )快速的放電。下圖就是防止電池在輸入短路狀況下反向放電的保護電路，D4也防止輸入的反接，只有在有輸入電壓里系統才工作。
圖6：防止輸入短路時(shí)輸出備份電池反向放電電路
結論
1 合適的開(kāi)關(guān)頻率可以保證系統具有足夠的輸入工作電壓范圍，同時(shí)使電感和電容的尺寸和體積最小。
2 實(shí)際最大的輸入工作電壓由MOSFET所要求的最短導通時(shí)間決定，實(shí)際最小的輸入工作電壓由MOSFET所要求的最短關(guān)斷時(shí)間決定。
3 必須抑制輸入瞬態(tài)電壓，檢查散熱設計，增加輸入短路和反接保護電路才能保證系統的安全工作。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/196673.htm 汽車(chē)防盜機相關(guān)文章:汽車(chē)防盜機原理
評論