简单低成本的汽车冷启动预升压器

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汽车制造商们希望在越来越多的新车型中配备自动启停功能。但是,该功能对汽车电子设计提出了挑战,因为在寒冷的天气中启动电机会使电池电压降至3V,这被称为“冷启动(Cold Crank)”。

大多数12V汽车系统的功率级都由一个降压变换器组成,这个变换器通常将输出电压调节至5V或3.3V。即使调节器以低压差模式开始工作,大多数电路也会受到输入电压跌落的影响,并且可能会停止工作。

本文以典型的5V,5W至15W电源为例,讨论预升压如何完美地解决该问题。

预升压的实现方式

在这个示例中,我们的目标是,不管输入电压如何变化,都将功率级的输出电压保持在恒定水平。此同时要记住,冷启动只会在总工作时长的很小一段时间内影响系统,这意味着好的解决方案需要综合考虑成本,效率和EMI。

Pre-Boost Demo

图1:MPS预升压演示板对冷启动电压瞬变的响应(测试条件:VO = 5V, IO = 1.5A)

预升压电路是个升压变换器,它串联在降压变换器之前。顾名思义,当降压变换器的输入电压降低到设定值以下,预升压电路工作,将其输入电压维持在设定值。这样,降压变换器就可以具有稳定的输入电压,并可以将其输出正确地调节到恒定的水平,而与电池电压的瞬变无关。 图1 显示出,带预升压时,系统的输出电压不受输入轨扰动的影响。

这种设计的优点在于,在汽车应用中会使用的输入差模滤波电感和防反二极管可以复用作预升压电路的功率电感和续流二极管,这样无需增加额外的元件和电路板空间,有助于节省成本,同时也不影响效率和EMI性能。

图2 显示了典型的降压变换器电路。在此电路中,D1二极管用于保护系统免受反极性电池连接的影响。C1、C2和L1形成用于抑制传导EMI的π(pi)型滤波器。C3是滤波器和变换器之间的阻尼电容器。 C4、C5、L2和降压IC构成降压变换器本身。

Simplified Automotive Buck Converter

图2:汽车降压变换器电路简图

重新布置一些组件,并添加一个异步升压变换器和一个保护二极管,就可以很容易地实现预升压。(请参见图3)

图3:具有预升压功能的汽车降压变换器电路简图

在这个配置中,D1用作升压变换器中的续流二极管,而L1为升压电感器。C1和C2分别是其输入和输出电容器,而C3充当缓冲器,在冷启动条件下当升压器开始工作时,可用于短暂时间内保持电压。增加D2是为了保护升压IC不受电池反极性连接的影响;而且它仅在冷启动期间导通,因而不会影响效率。极性保护和滤波能力也得以保持。

MPS的 MPQ3426是一款符合AEC-Q100标准的45V/6A异步升压变换器,可在低至3.2V的输入电压下工作。该器件采用小尺寸3mm x 4mm QFN封装,具有最少的外部组件要求,可以轻松实现预升压,同时将成本和性能影响降至最低。

MPQ3426的VIN引脚是内部电路的偏置电源,应连接至降压变换器的输出轨。 这样可减少内部LDO损耗,使升压IC的偏置电源独立于系统输入电压,并将预升压的工作电压范围扩展至45V。

另一方面,由于系统始终以大约12V的电池电压启动,降压变换器得以启动并为预升压电路供电,从而确保输入电压始终高于3.2V,并在汽车冷启动期间提高其输出功率。预升压电路可调节的最低输入瞬态电压受到升压IC开关电流限值的限制。

将预升压的输出电压设置在7.5V至9.5V之间,可确保预升压不会在正常情况下开始切换,但在冷启动时将快速响应。 由于预升压在正常条件下不会切换,因此不会产生任何损耗,也不会产生EMI。通过演示板配合以MPS的AEC-Q100标准MPQ4430 系列36V同步降压变换器,这种预升压设计已得到验证(见图4)

图4: MPS预升压演示板

设计预升压时,尤其需要注意电感器和二极管的选择。在冷启动的短暂过程中,输入电压非常低,但输出功率保持不变;因此,电感器需要足够高的饱和电流,以使预升压在瞬态期间具有良好性能。该饱和电流应大于冷启动期间的峰值电感电流 (IPEAK)。 IPEAK 取决于冷启动期间的最大输入电流 (ILDC)和电感纹波电流 (ΔIL), 可分别使用公式(1)、公式(2)和公式(3)计算得出。

(1) $$I_{PEAK}= I_{LDC} +{\Delta I_L\over2}$$ (2) $$I_{LDC}= {V_{OUT} ·I_{OUT}\over V_{IN}·^η}$$ (3) $$\Delta I_L={V_{IN}·(V_O-V_{IN})\over V_O·f_{SW}·L}$$

该应用选择了一个饱和电流为9.2A的2.2µH电感器。

另一方面,二极管需要的直流电流额定值需高于冷启动期间的预升压输出电流,该电流可以比降压变换器的标称输入电流高约25%。更重要的是,冷启动期间,二极管的峰值电流应该高于后级电感的峰值电流。 、

不同汽车应用对冷启动电压的要求可能不尽相同,图5列出了部分典型值,包括一个正常情况下的电压曲线和一个恶劣条件下冷启动的电压曲线。预升压的输出功率能力将完全依赖于冷启动期间需要的最低电压水平;在较低的输入电压下,峰值电感电流可能很高。下表比较了系统可提供的最大输出电流与冷启动期间的最低电压。

冷启动期间的最低电压 5V输出电压时的最大输出电流
3.0V 1.8A
3.5V 2.5A
4.0V 3.2A
4.2V 3.5A

表1: 预升压演示板功率能力

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图5:冷启动测试电压曲线

为测试电路板对冷启动事件的响应,这里采用了经过认证的汽车电压瞬变发生器,它具有已设置好的电压曲线。它还可以用大多数电子实验室中都很常见的可调电源轻松进行测试。图6 显示的波形清晰展现了通道1中冷启动电压瞬变的开始、通道2中预升压的输出电压以及通道3中的系统输出电压。

图6:MPS预升压演示板对冷启动电压瞬态响应的特写(测试条件:VO = 5V, IO = 1.5A)

结论

通道3的波形显示出,冷启动将输入电压降至约3.2V,而输出电压始终保持5V恒定,未受影响。 通道2的波形显示了预升压如何快速响应电压瞬变,并将输出电压调节至9.5V。这表明了,对于在瞬态电压下需要连续工作的汽车系统而言,预升压是一种出色的解决方案。

在更高功率的应用中,可以使用升压控制器来实现预升压,如MPS的MPQ3910A,该升压控制器驱动外部晶体管并具有更高的电流能力。预升压解决了冷启动的设计难题,与现有的几种替代方案相比,节省了更多成本与板空间。它实现了无缝顺畅的自动启停功能,增强了最终用户体验。