可靠的車(chē)載電源管理設計 拋負載和冷啟動(dòng)問(wèn)題的解決

　　車(chē)載電源管理的要求正變得愈加苛刻，其要求電源能夠工作在更寬泛的輸入電壓范圍、更高的電流及更高的溫度極值條件下。這些要求將使開(kāi)關(guān)模式電源設計成為主流，因為這種電源設計具有更大的靈活性、更優(yōu)異的可配置性和更高的散熱效率。

　　開(kāi)關(guān)模式的電源的核心組件是 DC-DC 轉換器。今天的車(chē)載轉換器必須能夠支持各種運行條件，例如：低壓運行（也就是冷啟動(dòng)）和正瞬態(tài)生存性 (positive transient survivability)（也就是抑制或未抑制的拋負載狀態(tài)）。車(chē)載子系統的出現所帶來(lái)的更高負載需求使得這些數據的設計變得更為復雜。本文將給設計者提供一個(gè)關(guān)于車(chē)載電源需求的簡(jiǎn)要介紹，并且介紹一款由 TI 最近推出的新型 DC-DC 轉換器 TPIC74100。

瞬態(tài)保護

　　拋負載

　　幾乎所有直接連接至汽車(chē)電池的電子組件和電路都要求保護，以免于受到抑制、瞬態(tài)電壓（高達60V）和反向電壓狀態(tài)的損害。對于這些電子電路而言，必須能夠經(jīng)受住電源線(xiàn)路上一定程度的過(guò)電壓，這也是種常見(jiàn)的要求。對于那些要求任何特殊車(chē)載電子系統的主電源輸入均能夠在各種不同瞬態(tài)電壓狀態(tài)（包括交流發(fā)電機拋負載）下工作的車(chē)載系統來(lái)說(shuō)尤為如此。

　　由于交流發(fā)電機控制環(huán)路關(guān)閉的速度不夠快，因此，在將電池電壓去除掉時(shí)，其會(huì )產(chǎn)生一個(gè)高輸出電壓脈沖。正常情況下，在汽車(chē)某個(gè)中央位置，這種高能脈沖被控制（或抑制）在一個(gè)較低的電壓范圍內。但是，汽車(chē)制造商還是給其供應商規定了在其電源輸入端可能出現的剩余過(guò)電壓。這種情況在不同轎車(chē)廠(chǎng)商中有所差異，但是轎車(chē)的標準峰值大約為 40V，而商務(wù)車(chē)的標準峰值則大約為 60V。一個(gè)典型拋負載脈沖的持續時(shí)間為十分之幾秒，下圖（圖 1）顯示了該拋負載狀態(tài)下的典型脈沖。

　　儀表板應用中的冷啟動(dòng)

　　車(chē)載環(huán)境對于電源管理芯片的需求正日益增加。這些需求之一便是需要電源管理 IC 能夠在一個(gè)寬電壓偏移范圍內工作，直接連接至電池的電子系統通常都會(huì )有這種電壓偏移范圍。通過(guò)觀(guān)察該冷啟動(dòng)脈沖，可以描述出此類(lèi)瞬態(tài)的一個(gè)實(shí)例。這種狀態(tài)可發(fā)生在寒冷環(huán)境下車(chē)輛的第一次啟動(dòng)。如果溫度足夠低（冷卻至零攝氏度），那么引擎的油就會(huì )變得粘稠，通過(guò)要求提供更高的功率（扭矩），這就對馬達提出了重負載要求。這樣就需要能夠提供更高電流的電池。重負載需求可以在該點(diǎn)火周期內將電池電壓立刻下拉至 3V。

　　我們所面臨的挑戰是，一些應用必須在該過(guò)程中保持運行。這些應用并非只限于動(dòng)力傳動(dòng)系 ECU 或者安全苛求的應用，在一些集群和信息娛樂(lè )子系統中也同樣可以看到這些應用的蹤影。當出現該狀態(tài)時(shí)，電源管理芯片必須對輸入電壓進(jìn)行升壓，以便保持正確的調節輸出電壓，從而使這些電子系統可以正確地發(fā)揮作用。

　　可用于升壓∕降壓轉換的拓撲結構包括若干種類(lèi)：SEPIC（單端初級電感轉換器），或一種純降壓∕升壓轉換器。

SEPIC 轉換器
　　
　　SEPIC 轉換器提供了一種降壓轉換，直到輸入電壓等于或者降到輸出電壓電平之下。然后，其將提供升壓轉換，直到電池電壓降至最小容許輸入電壓的電平。使用 SEPIC 的一個(gè)主要弊端是，它需要一個(gè)單耦合電感器（變壓器）或者兩個(gè)單獨電感器，以及一個(gè)耦合電容器，如圖 3 所示。

　　這些電感器和線(xiàn)圈的體積均較大，需要占用更多的 PCB 空間。在那些必須保持體積尺寸和板級空間的應用中，這種情況就更加不適宜。