適用于汽車冷起動應用的雙開關降壓/升壓技術
適用于汽車冷起動應用的雙開關降壓/升壓技術
一般來說，我們采用降壓升壓拓撲型拓撲來解決汽車應用中的寬闊輸入電壓范圍及冷起動需求。本文將詳細解釋冷起動的要求，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關降壓/升壓拓撲。
下文將闡述每種方案的優劣勢，并且將著重指出雙開關降壓/升壓拓撲相對于傳統SEPIC拓撲的優勢。此外，本文還會結合美國國家半導體最新推出的LM5118仿電流模式降壓/升壓控制器來作應用說明。
冷起動條件
起動汽車其實就是通過電力起動馬達驅動內燃機。電力起動馬達消耗動力由汽車電池提供。啟動馬達需要的大負載將導致電池電壓逐漸下降。對于汽車起動來說，最壞的情況就是"冷起動"。這種情況發生在溫度極低的環境中，低溫環境會使汽車冷起動更加困難。當汽車處于氣溫極低的環境時，內燃機的轉動阻力會升至最高，因此需要較大的機械力量才能發動起來。因此，電力起動馬達所消耗的峰值電流將比在溫暖環境下發動時更高。另一個在"冷起動"情況下的影響因素是汽車電池的電壓會隨著氣溫下降而下降，并且電池越舊則下降的幅度越大。
上述兩個低溫效應會使汽車電池的最小供電電壓大幅下降。ISO7637標準制訂了汽車于冷起動條件下的基本電壓波形。圖1表示出冷起動條件下的電壓特性，其一般將電壓定義為兩個電壓水平。首先，當電力起動馬達開始轉動去克服初始機械阻力時，供電電壓便處于最低。接著機械系統運行起來，所需的電壓也隨之增大。最后，當電力起動馬達被關閉后，系統電壓便會返回正常水平。 
一般來說，我們采用降壓升壓拓撲型拓撲來解決汽車應用中的寬闊輸入電壓范圍及冷起動需求。本文將詳細解釋冷起動的要求，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關降壓/升壓拓撲。
下文將闡述每種方案的優劣勢，并且將著重指出雙開關降壓/升壓拓撲相對于傳統SEPIC拓撲的優勢。此外，本文還會結合美國國家半導體最新推出的LM5118仿電流模式降壓/升壓控制器來作應用說明。
冷起動條件
起動汽車其實就是通過電力起動馬達驅動內燃機。電力起動馬達消耗動力由汽車電池提供。啟動馬達需要的大負載將導致電池電壓逐漸下降。對于汽車起動來說，最壞的情況就是"冷起動"。這種情況發生在溫度極低的環境中，低溫環境會使汽車冷起動更加困難。當汽車處于氣溫極低的環境時，內燃機的轉動阻力會升至最高，因此需要較大的機械力量才能發動起來。因此，電力起動馬達所消耗的峰值電流將比在溫暖環境下發動時更高。另一個在"冷起動"情況下的影響因素是汽車電池的電壓會隨著氣溫下降而下降，并且電池越舊則下降的幅度越大。
上述兩個低溫效應會使汽車電池的最小供電電壓大幅下降。ISO7637標準制訂了汽車于冷起動條件下的基本電壓波形。圖1表示出冷起動條件下的電壓特性，其一般將電壓定義為兩個電壓水平。首先，當電力起動馬達開始轉動去克服初始機械阻力時，供電電壓便處于最低。接著機械系統運行起來，所需的電壓也隨之增大。最后，當電力起動馬達被關閉后，系統電壓便會返回正常水平。
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兩個開關MOSFET，以便為降壓與降壓/升壓模式之間提供一個順暢的過度。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一個足夠的份量，調節器便會以一個傳統的降壓穩壓器形式來運行。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的效率及調節效果。
當Vin 相對Vout下降至占空比接近70%時，升壓開關便會以一個最小的占空比被激活，使調節器進入一個軟降壓/升壓模式(圖3a)。
2.降壓/升壓操作 Vin≈Vout：隨著Vin進一步降低至接近Vout，降壓開關的占空比將會下降，與此同時升壓開關的占空比則上升。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 Vin<vout：隨著vin進一步下降低于vout，降壓與升壓開關的占空比將會相同。其時，轉換器會以一個全降壓 升壓模式來運行，而降壓="" 升壓轉換函數為vout="" vin="D/(1-D)。其中D是開關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時繼續維持穩定，原因是期間沒有發生電壓突變，只是從降壓與升壓模式之間出現一個漸進的轉換。
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路前饋、逐周期性的電流限制及簡單閉環補償等特點。
傳統電流模式方案的唯一應用限制是它對電流感測路徑上的噪聲極其敏感，并難以配合高輸入電壓應用所需的低占空比。因此，美國國家半導體特別開發了一個全新的電流模式控制方案"仿電流模式"，將過往的應用限制一掃而空。
仿電流模式可以重建電感器斜坡電流。具體方法是：首先測量續流二極管在開關周期結束時的電流，然后加上與電感器電流斜坡成比例的斜坡。為了模仿電感器電流的斜坡部份，一個外部電容器被一個固定電流充電，而該固定電流與輸入和輸出電壓間的差別成比例。如此一來，最后出現在電容器的斜坡電壓便可與電感器本身的斜坡電流形成比例關系。對于大于50%的占空比，電流模式控制電路會經常出現子諧波振蕩，而在電流感測信號上加入一個固定斜率的電壓斜坡信號(即斜率補償)便可有效地預防這種振蕩。此外，仿電流模式方案的另一個優點是當電路處于短路或超載時，電感器的電流不會出現失控，原因是該電流在降壓開關被啟動前已被取樣。假如電感器電流過大，有關的周期便會被省略直至電流下降至過流閾值以下。
斜坡、取樣及保留直流電平、供PWM及電流限制用的仿斜坡信號、提供仿電流信號的消隱脈沖電平、具備與電感器電流相同斜率的仿斜坡。
SEPIC拓撲與單電感器降壓/升壓模式的比較
SEPIC是另一種可于寬闊輸入電壓要求下進行輸出電壓調節的常用拓撲技術。該拓撲由一個升壓/降壓-升壓級和一個降壓級組合而成。SEPIC是Single Ended Primary Inductance Converter的字首縮寫，也就是單端初級電感轉換器。字面中的單端表示只用一個開關來把能量送入轉換器內。
SEPIC轉換器的功能可通過觀察圖5中的三個主要變換級來說明：
1)圖5上方表示了SEPIC于開關閉合前的初始狀態。SEPIC的電容器必須被充電至VIN，其時的輸出為0V，并且在所有元件中都沒有電流。
2)當開關閉合時，電壓VIN會被施加到電感器L1，這時通過L1的電流突然增加并把能量儲存，情況就如升壓拓撲一般。與此同時，相同的VIN亦會被施加到L2，而該電壓則來自SEPIC電容器。這時，SPEIC電容器開始將能量通過流經L2的突增電流轉移到L2上。在此期間，二極管處于反向偏置。
現在，電流在兩個電感器中流動，即使開關再次斷開也不會出現瞬變。
3)當開關斷開時，流經L1的電流無處可走，只好經過SPEIC電容器流往輸出電容器及輸出端，而流經L2的電流亦必須流往輸出端。
為了讓電流繼續流經L1，開關上的電壓會被提升到VIN+VOUT+VDIODE的水平，而流經SEPIC電容器的電流會再次把電容器充電，促使它能夠于開關閉合時把能量傳送到L2。
在SEPIC電容器與L2之間存在一個能量平衡，可以幫助決定SEPIC電容器的數值，而該數值越小，操作便越穩定。
SEPIC轉換器的效率會低于一個純升壓或降壓拓撲。這主要是因為受關聯的外部元件數量增加所致。例如在電源路徑中的第二個功率電感器和SEPIC電容器的損耗便會影響電路整體的效率。SPEIC電容器是SEPIC轉換器中最關鍵的元素。因為所有的輸出功率都需要流經它，所以會局限這種拓撲在較低功率方面的應用。
比較降壓/升壓拓撲與SEPIC拓撲會發現：降壓/升壓只需一個電感器，而且電容器數量更少一個。當輸入電壓高于輸出電壓時，也就是大部份典型汽車常出現的情況，轉換器便會以降壓轉換器的形式運行，以產生較低的輸出紋波及為負載線路提供更高效率和更優的瞬態調節。此外，SEPIC拓撲還可能會因SEPIC 電容器的寄生效應而引致更高的電磁干擾噪聲。
圖6是一個以LM5118仿電流模式降壓/升壓控制器來實現的降壓/升壓拓撲實例。
結論
在汽車冷起動應用中，單電感器降壓/升壓控制器較傳統的SEPIC轉換器具有更多的優勢：更高的效率、更優的動態性能及更低的電磁干擾噪聲。
編輯：admin 最后修改時間：2017-09-23
