車(chē)用啟停系統電源設計

摘要：在汽車(chē)自動(dòng)啟停系統中，起動(dòng)機工作時(shí)12 V系統的鉛酸起動(dòng)電池電壓可能降至6.0 V或更低，從而造成汽車(chē)電器系統的不穩定工作，甚至可能造成系統的重啟動(dòng)或損壞;使整車(chē)的舒適性和可靠性降低。為了使電器設備在小于6.0 V的供電條件下，保持主要電路模塊的穩定和可靠工作，本文設計了三種汽車(chē)電器設備電源系統方案，提出部分參考應用實(shí)例，有效的解決了汽車(chē)電器設備在發(fā)動(dòng)機起動(dòng)過(guò)程中工作電壓不穩定的問(wèn)題。

石油價(jià)格不斷攀升、全球氣候環(huán)境不斷惡化，更加突出了汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中節能環(huán)保技術(shù)是當今全球汽車(chē)業(yè)所面臨的重大技術(shù)挑戰。同時(shí)，現在城市交通問(wèn)題已經(jīng)成為社會(huì )關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，堵車(chē)時(shí)間也越來(lái)越長(cháng)。堵車(chē)時(shí)，汽車(chē)停在原地，發(fā)動(dòng)機怠速工作，將產(chǎn)生燃油消耗和排放污染。國內外典型市區工況，怠速油耗(怠速時(shí)間)占總油耗(總行車(chē)時(shí)間)的比例十分可觀(guān)。如歐洲城市道路行車(chē)工況(ECE)，車(chē)輛平均停車(chē)怠速時(shí)間約占總行車(chē)時(shí)間的28%，怠速油耗約占總油耗的17%。

為了控制發(fā)動(dòng)機燃油消耗，許多汽車(chē)制造商在下一代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機系統中實(shí)現了“自動(dòng)啟停”功能，自動(dòng)啟停功能是：在堵車(chē)和等紅燈時(shí)，發(fā)動(dòng)機可以自動(dòng)熄火，起步時(shí)再點(diǎn)火，從而降低發(fā)動(dòng)機怠速空轉時(shí)間，減少不必要的燃油消耗，降低排放。

1 發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)電池電壓特性

這種系統也給汽車(chē)電器設備的電源設計帶來(lái)了一些獨特的工程技術(shù)挑戰，因為在發(fā)動(dòng)機起動(dòng)時(shí)電池電壓可能降至6.0 V或更低，如圖1所示L點(diǎn)。LDO線(xiàn)性穩壓器大量應用于汽車(chē)電子控制器，它在工作電流、最小輸入輸出壓差、噪聲及封裝等方面的改進(jìn)使其成為增長(cháng)最多和最快的產(chǎn)品。LDO線(xiàn)性穩壓器只有在輸入電壓大于輸出電壓一定數值時(shí)，系統才具有保證輸出穩定的能力。當輸入電壓減小到某一臨界值時(shí)，系統失去對輸出電壓的調整能力。

另外，典型的電源模塊都包含有一個(gè)反極性的二極管，用于在汽車(chē)搭線(xiàn)啟動(dòng)又意外將搭線(xiàn)接反時(shí)保護汽車(chē)電路。這個(gè)二極管會(huì )使電池電壓再降低約0.5 V，因此可供下游電路使用的電壓只有5.5 V甚至更低。由于許多關(guān)鍵模塊(如單片機，CAN模塊)仍然需要5 V電源供電，因此基本上沒(méi)有了余量，很難保證電路正常工作。

2 一般汽車(chē)電器設備電源模型

傳統的汽車(chē)電器電源架構如下：

在汽車(chē)自動(dòng)啟停系統發(fā)動(dòng)機起動(dòng)的過(guò)程中，上圖中的A點(diǎn)電壓會(huì )低到6 V或更低;在防反接保護電路中有快反二極管，二極管的壓降在0.5 V左右，所以B點(diǎn)的電壓會(huì )低到5.5 V或更低;而LDO的最小輸入電壓要求是5.5 V;如果小于5.5 V，控制系統得不到穩定的5 V電壓，不能正常工作。所以傳統的汽車(chē)電器設備電源結構不適用于自動(dòng)啟停系統。

3 自動(dòng)啟停系統電源解決方案

3.1 降壓型開(kāi)關(guān)穩壓電源方案

典型的降壓型開(kāi)關(guān)穩壓電源如圖3所示。

該模塊可以實(shí)現反壓保護、降壓和穩壓3個(gè)重要功能，PWM是該電路實(shí)現降壓和穩壓的關(guān)鍵模塊，有兩種實(shí)現方法：1)分立器件實(shí)現，比較器、運放等器件;2)專(zhuān)用開(kāi)關(guān)電源控制集成IC，UC3842、NCV8852等。

該電路優(yōu)點(diǎn)有：電源效率比LDO高;發(fā)熱低;輸入電壓低至5.5 V，電路可以正常工作。但是也有一定的缺點(diǎn)：集成度低;當電壓更低(低于5.5 V)時(shí)，系統無(wú)法正常工作。

3.2 前預置升壓電源方案

前預置升壓5 V穩壓電源的方案如圖4所示。

該方案中采用BOOST升壓電路(如圖4虛線(xiàn)框中所示)，在車(chē)輛起動(dòng)的過(guò)程中電源低于設定值(5.5 V)時(shí)，前預置BOOST電路起作用，使OUT1點(diǎn)電壓為設定值，該設計值由R1和R2的值來(lái)確定。從而使LDO的輸入滿(mǎn)足輸出OUT2(5 V)的要求。另外，要特別注意：OUT1的設定值不應過(guò)大，過(guò)大會(huì )使LDO的效率大大降低，從而降低整個(gè)電源的工作效率。該方案中PWM模塊一般采用集成電源控制器IC實(shí)現，LM3478、NCV8871等是常用的開(kāi)關(guān)電源控制IC;D1是防反二極管，D2是BOOST電路的整流二級管，D1和D2一般采用肖特基二極管，壓降約為0.5 V。

從上面的分析和圖4可知：該電源的最小輸入電壓IN為4 V時(shí)，OUT2的輸出可以達到5 V。完全可以滿(mǎn)足車(chē)輛自動(dòng)啟?？刂葡到y的要求。

3.3 改進(jìn)型的前預置升壓電源方案

改進(jìn)型的前預置升壓5 V穩壓電源的方案如圖5所示。

該方案中在圖4方案的基礎上，加入了前預置升壓電路的使能控制。在IN的電壓大于5.5 V的情況下，OUT1的電壓會(huì )隨著(zhù)IN電壓的變化;前預置升壓電路不需要提高OUT1的電壓;在這種情況下，BOOST電路IC還在正常運行，增加系統的功耗。為了降低系統的工作時(shí)的能耗損失，通過(guò)控制單元ECU使BOOST電路進(jìn)入休眠狀態(tài)，或者通過(guò)檢測電源的方式使BOOST電路進(jìn)入休眠狀態(tài);大約降低10mA的損失。通過(guò)這種有效的電源管控，從而提高汽車(chē)啟?？刂葡到y效率，節省能源。NCV88756等是常用的開(kāi)關(guān)電源控制IC。

4 LDO選型及外圍電路

以上介紹了各電源方案的拓撲結構，作為L(cháng)DO的輸入解決方案，下面簡(jiǎn)單介紹下具體LDO的選型及其外圍電路。

在選擇LDO時(shí)，需要考慮的基本問(wèn)題包括輸入電壓范圍、預期輸出電壓、負載電流范圍以及其封裝的功耗能力。如NCV4275，有輸出為3.3 V及5 V線(xiàn)性穩壓芯片，根據輸入電壓范圍、輸出電壓、輸出電流及精度選擇。NCV4275相關(guān)參數如下：輸入電壓5.5～45 V，輸出電壓3.3 V和5.0 V，輸出電流：450 mA，輸出精度：2%。

負載電流：考慮負載需要的電流量并據此選擇LDO。需要注意的是.額定電流為比如150 mA的LDO可能會(huì )在短時(shí)間內提供高出很多的電流。請查驗最低輸出電流限值規范，或者咨詢(xún)有關(guān)廠(chǎng)商。

封裝與功耗：一般來(lái)說(shuō)，封裝尺寸越小，功耗越小。請注意不要超過(guò)封裝的最大功耗額定值。功耗可以采用P=(VIN—VOUT)/(IOUT+IQ)進(jìn)行計算。

輸出電容器：典型LDO應用需要增加外部輸入和輸出電容器。選擇對電容器穩定性方面沒(méi)有要求的LDO，可以降低尺寸與成本，另外還可以完全消除這些元件。利用較低ESR的大電容器一般可以全面提高PSRR、噪聲以及瞬態(tài)性能。陶瓷電容器通常是首選，因為它們價(jià)格低而且故障模式是斷路，相比之下鉭電容器比較昂貴且其故障模式是短路。為了增強濾波效果，經(jīng)常會(huì )使用大容量的電解電容。

5 結論

文中給出了3種自動(dòng)啟停系統電源解決方案，并針對LDO的選擇做出說(shuō)明，可滿(mǎn)足汽車(chē)電器設備各種工況下的要求。試驗證明在發(fā)動(dòng)機起動(dòng)期間，電池電壓低于6 V時(shí)，這三種設計方案完全可以滿(mǎn)足在該工況汽車(chē)電器設備主控單元的正常工作。

另外，汽車(chē)中大量使用了電子系統和半導體器件，比如說(shuō)晶體管、微處理器和二極管等。其中，5 V穩壓電源大量應用于各電路和微處理器中。本文的解決方案除了應用于啟停系統，也適用于很多其它的汽車(chē)電子系統。