車載電源設(shè)計挑戰(zhàn)
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在汽車工業(yè)中，對于車載電源管理的要求正變得愈加苛刻?，F(xiàn)在，它們要求電源能夠工作在更寬的輸入電壓、更高的電流以及更高的溫度極值條件下。這些要求將使開關(guān)模式電源設(shè)計成為主流，因為這種電源設(shè)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。
開關(guān)模式電源的核心組件是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。今天的車載轉(zhuǎn)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）和正瞬態(tài)生存性 (positive transient survivability)（也就是抑制或未抑制的拋負(fù)載狀態(tài)）。車載子系統(tǒng)的出現(xiàn)所帶來的更高負(fù)載需求使得這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計變得更為復(fù)雜。本文將給讀者提供一個關(guān)于車載電源需求的簡要介紹，并且介紹一款由 TI 最近推出的新型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 TPIC74100。
車載瞬態(tài)保護(hù)
拋負(fù)載
幾乎所有直接連接至汽車電池的電子組件和電路均要求保護(hù)，以免于受到抑制、瞬態(tài)電壓（高達(dá)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)受住電源線路上一定程度的過電壓，這也是一種常見的要求。對于車載系統(tǒng)而言，尤為如此，為所有特殊車載電子系統(tǒng)提供電源輸入的主電源必須能夠承受各種瞬態(tài)電壓狀態(tài)（包括交流發(fā)電機(jī)的拋負(fù)載）。拋負(fù)載是指去掉負(fù)載時電源電壓發(fā)生的變化。電壓調(diào)節(jié)有一個時間常量，并且，如果迅速地將負(fù)載去去掉，那么電壓穩(wěn)定則只需幾毫秒的時間。車載電池的作用就是消除這些脈沖，并保持電壓更恒定。
由于交流發(fā)電機(jī)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，其會產(chǎn)生一個高輸出電壓脈沖。正常情況下，在汽車某個中央位置，這種高能脈沖被控制或抑制在一個較低的電壓范圍內(nèi)。但是，汽車廠商還是給供應(yīng)商規(guī)定了在其電源輸入端上可能出現(xiàn)的剩余過電壓。這種情況在轎車廠商中更為不同，但是轎車的標(biāo)準(zhǔn)峰值大約為 40V，而商務(wù)車的標(biāo)準(zhǔn)峰值則大約為 60V。一個典型拋負(fù)載脈沖的持續(xù)時間為幾十分之幾秒，下圖（圖1）顯示了該拋負(fù)載狀態(tài)下的典型脈沖。
圖1：一個拋負(fù)載瞬態(tài)的圖表描述
在車載運行環(huán)境中，對于電源管理芯片的需求日益增長。這些需求之一便是需要能夠運行于一個寬電壓偏移范圍的電源管理芯片，直接連接至電池的電子系統(tǒng)通常都會有這種電壓偏移范圍。通過觀察該冷啟動脈沖，可以描述出此類瞬態(tài)的一個例子。這種狀態(tài)可發(fā)生在車輛在寒冷環(huán)境下的第一次啟動。如果溫度可以足夠的低（例如：冷卻至零攝氏度）的話，那么引擎用油會變得粘稠。通過要求提供更高的功率和更大的扭矩，這就對馬達(dá)提出了重負(fù)載要求。這樣就需要能夠提供更高電流的電池。重負(fù)載要求可以在該點火周期內(nèi)將電池電壓立刻下拉至 3V。
我們所面臨的挑戰(zhàn)是，一些應(yīng)用必須在該過程中保持運行。這些應(yīng)用并非只限于動力傳動系電子控制部件 (ECU) 或安全關(guān)鍵性應(yīng)用，在一些集群及信息娛樂子系統(tǒng)中也同樣可以看到這些應(yīng)用的蹤影。當(dāng)出現(xiàn)該條件時，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(diào)節(jié)輸出電壓，從而保證這些電子系統(tǒng)可以正確地發(fā)揮作用。
圖2：輸入電壓變化或冷啟動
SEPIC 轉(zhuǎn)換器
SEPIC 轉(zhuǎn)換器提供一種降壓轉(zhuǎn)換，直到輸入電壓等于或者降到輸出電壓電平之下。然后，它將提供升壓轉(zhuǎn)換，直到電池電壓降到最小的容許輸入電壓電平。使用 SEPIC 的一個主要弊端是，它需要一個單耦合線圈（也即變壓器）或者兩個單獨電感，以及一個耦合電容器，如圖3 所示。
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