適用于汽車(chē)冷起動(dòng)應用的雙開(kāi)關(guān)降壓/升壓技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)，我們采用降壓升壓拓撲型拓撲來(lái)解決汽車(chē)應用中的寬闊輸入電壓范圍及冷起動(dòng)需求。本文將詳細解釋冷起動(dòng)的要求，并介紹兩種不同的解決方案。其中一種是傳統的SPEIC拓撲，而另一種是較新的多開(kāi)關(guān)降壓/升壓拓撲。

　　下文將闡述每種方案的優(yōu)劣勢，并且將著(zhù)重指出雙開(kāi)關(guān)降壓/升壓拓撲相對于傳統SEPIC拓撲的優(yōu)勢。此外，本文還會(huì )結合美國國家半導體最新推出的LM5118仿電流模式降壓/升壓控制器來(lái)作應用說(shuō)明。

　　冷起動(dòng)條件

　　起動(dòng)汽車(chē)其實(shí)就是通過(guò)電力起動(dòng)馬達驅動(dòng)內燃機。電力起動(dòng)馬達消耗動(dòng)力由汽車(chē)電池提供。啟動(dòng)馬達需要的大負載將導致電池電壓逐漸下降。對于汽車(chē)起動(dòng)來(lái)說(shuō)，最壞的情況就是冷起動(dòng)。這種情況發(fā)生在溫度極低的環(huán)境中，低溫環(huán)境會(huì )使汽車(chē)冷起動(dòng)更加困難。當汽車(chē)處于氣溫極低的環(huán)境時(shí)，內燃機的轉動(dòng)阻力會(huì )升至最高，因此需要較大的機械力量才能發(fā)動(dòng)起來(lái)。因此，電力起動(dòng)馬達所消耗的峰值電流將比在溫暖環(huán)境下發(fā)動(dòng)時(shí)更高。另一個(gè)在冷起動(dòng)情況下的影響因素是汽車(chē)電池的電壓會(huì )隨著(zhù)氣溫下降而下降，并且電池越舊則下降的幅度越大。

　　上述兩個(gè)低溫效應會(huì )使汽車(chē)電池的最小供電電壓大幅下降。ISO7637標準制訂了汽車(chē)于冷起動(dòng)條件下的基本電壓波形。圖1表示出冷起動(dòng)條件下的電壓特性，其一般將電壓定義為兩個(gè)電壓水平。首先，當電力起動(dòng)馬達開(kāi)始轉動(dòng)去克服初始機械阻力時(shí)，供電電壓便處于最低。接著(zhù)機械系統運行起來(lái)，所需的電壓也隨之增大。最后，當電力起動(dòng)馬達被關(guān)閉后，系統電壓便會(huì )返回正常水平。

一般來(lái)說(shuō)，我們采用降壓升壓拓撲型拓撲來(lái)解決汽車(chē)應用中的寬闊輸入電壓范圍及冷起動(dòng)需求。本文將詳細解釋冷起動(dòng)的要求，并介紹兩種不同的解決方案。其中一種是傳統的SPEIC拓撲，而另一種是較新的多開(kāi)關(guān)降壓/升壓拓撲。

　　下文將闡述每種方案的優(yōu)劣勢，并且將著(zhù)重指出雙開(kāi)關(guān)降壓/升壓拓撲相對于傳統SEPIC拓撲的優(yōu)勢。此外，本文還會(huì )結合美國國家半導體最新推出的LM5118仿電流模式降壓/升壓控制器來(lái)作應用說(shuō)明。

　　冷起動(dòng)條件

　　起動(dòng)汽車(chē)其實(shí)就是通過(guò)電力起動(dòng)馬達驅動(dòng)內燃機。電力起動(dòng)馬達消耗動(dòng)力由汽車(chē)電池提供。啟動(dòng)馬達需要的大負載將導致電池電壓逐漸下降。對于汽車(chē)起動(dòng)來(lái)說(shuō)，最壞的情況就是冷起動(dòng)。這種情況發(fā)生在溫度極低的環(huán)境中，低溫環(huán)境會(huì )使汽車(chē)冷起動(dòng)更加困難。當汽車(chē)處于氣溫極低的環(huán)境時(shí)，內燃機的轉動(dòng)阻力會(huì )升至最高，因此需要較大的機械力量才能發(fā)動(dòng)起來(lái)。因此，電力起動(dòng)馬達所消耗的峰值電流將比在溫暖環(huán)境下發(fā)動(dòng)時(shí)更高。另一個(gè)在冷起動(dòng)情況下的影響因素是汽車(chē)電池的電壓會(huì )隨著(zhù)氣溫下降而下降，并且電池越舊則下降的幅度越大。

　　上述兩個(gè)低溫效應會(huì )使汽車(chē)電池的最小供電電壓大幅下降。ISO7637標準制訂了汽車(chē)于冷起動(dòng)條件下的基本電壓波形。圖1表示出冷起動(dòng)條件下的電壓特性，其一般將電壓定義為兩個(gè)電壓水平。首先，當電力起動(dòng)馬達開(kāi)始轉動(dòng)去克服初始機械阻力時(shí)，供電電壓便處于最低。接著(zhù)機械系統運行起來(lái)，所需的電壓也隨之增大。最后，當電力起動(dòng)馬達被關(guān)閉后，系統電壓便會(huì )返回正常水平。

為了在寬闊的輸入電壓范圍下提供高精確度的輸出電壓調節，必須用適當的控制方法驅動(dòng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)MOSFET，以便為降壓與降壓/升壓模式之間提供一個(gè)順暢的過(guò)度。該控制器可根據輸入輸出的條件以三種不同的模式運行：

　　1.降壓操作 Vin >Vout：假如Vin 大于Vout一個(gè)足夠的份量，調節器便會(huì )以一個(gè)傳統的降壓穩壓器形式來(lái)運行。在這模式下，降壓轉換函數為Vout/Vin = D，其中D是Q1的占空比，而單純的降壓運行模式可確保得出最優(yōu)的效率及調節效果。

　　當Vin 相對Vout下降至占空比接近70%時(shí)，升壓開(kāi)關(guān)便會(huì )以一個(gè)最小的占空比被激活，使調節器進(jìn)入一個(gè)軟降壓/升壓模式(圖3a)。

2.降壓/升壓操作 Vin≈Vout：隨著(zhù)Vin進(jìn)一步降低至接近Vout，降壓開(kāi)關(guān)的占空比將會(huì )下降，與此同時(shí)升壓開(kāi)關(guān)的占空比則上升。這也使降壓運行模式可以順暢轉換到升壓運行模式。
3.降壓/升壓操作 VinVout：隨著(zhù)Vin進(jìn)一步下降低于Vout，降壓與升壓開(kāi)關(guān)的占空比將會(huì )相同。其時(shí)，轉換器會(huì )以一個(gè)全降壓/升壓模式來(lái)運行，而降壓/升壓轉換函數為Vout/Vin = D/(1-D)。其中D是開(kāi)關(guān)MOSFET的Q1及Q2占空比(圖3b)。

　　配合這種運行模式，輸出電壓便可于Vin接近Vout時(shí)繼續維持穩定，原因是期間沒(méi)有發(fā)生電壓突變，只是從降壓與升壓模式之間出現一個(gè)漸進(jìn)的轉換。

　　仿峰值電流模式控制方案

　　為了確保輸出電壓可在寬闊的輸入電壓范圍下進(jìn)行調節，必須采用PWM電流模式控制方案。原因是電流模式控制可提供固有的線(xiàn)路前饋、逐周期性的電流限制及簡(jiǎn)單閉環(huán)補償等特點(diǎn)。