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汽车启动/停止系统电源方案分析
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2017-11-21
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为了限制油耗，一些汽车制造商在其新一代车型中应用了“启动/停止”（Start/Stop）功能。当汽车停下来时，这些创新的新系统关闭发动机；而当驾驶人的脚从刹车踏板移向油门踏板时，就自动重新启动发动机。这就帮助降低市区驾车及停停走走式的交通繁忙期时的油耗。
但这样的系统为汽车电子带来了一些独特的工程挑战，因为当发动机重新启动时，电池电压可能降到6.0 V甚至更低。此外，典型电子模块包含反极性二极管，用以在汽车跳接启动（jump started）而跳接线缆反向的事件中保护电子电路。二极管导致电池电压又下降0.7 V，使下游电路的电压仅为5.3 V或更低。由于许多模块仍要求5 V供电，此时电源就没有足够的余量来恰当工作。
一种解决途径是采用升压电源。升压电源接受较低的输入电压，并在输出端产生较高的电压。目前供应商正在电子模块的前端使用某种类型的升压电源，使其能够在由启动/停止系统导致的压降条件下恰当工作。下文将审视设计人员可用于这些启动/停止系统的不同方案，包括低压降（LDO）稳压器、电池反向保护方案，以及各种升压选择。
就像大多数工程问题一样，解决问题的方法也是多种多样。如果电池电压在输入端仅降至6 V，那么，首选及最简单的方案就是探寻仅要求《0.3 V余量的极低压降线性稳压器。这种方案适用于电流要求较低的模块，但对于需要更大电流的模块而言，设计人员就需要更多的选择了。
另一种方案是以肖特基二极管或P沟道MOSFET替代用于在前端进行电池反向保护的标准P-N结二极管。萧特基二极管的正向压降约为标准整流器的一半，因此，它增添了零点几伏的电压余量。改用肖特基二极管足够简单直接，因为它通常恰好适用于跟标准二极管一样的PCB焊盘，无须变更布线。但P沟道MOSFET（简称P-FET）要求变更PCB，还要求一些额外电路。
图1：采用P沟道MOSFET提供电池反向保护
图1显示了要求使用的3个元件，包括P-FET、齐纳二极管及电阻。需要选择恰当大小的P-FET，使其可以处理施加在模块输入端的电压，以及所要求的负载电流。此外，顾及系统散热要求很重要，因为FET的功率耗散等于电流的平方乘以FET的导通电阻。齐纳二极管保护MOSFET的栅极氧化物免受由过压条件导致的操作。大多数P-FET的栅极至源极连接能够处理15至20 V电压，故齐纳二极管必须设定为在此点之前钳位。电阻将栅极下拉至地电平以导通P-FET，但也必须恰当选择电阻的大小。电阻的阻抗不能太低，因为阻抗太低的情况下会让过大电流渡过齐纳二极管，因而滋生齐纳二极管的功率耗散问题。然而，如果电阻的阻抗太大，在此情况下P-FET的导通可能不会如所倾向般牢靠，而这方案的构思是希望降低由漏极至源极两端的电压。
很可能的情况是，上述某种方案，或是某些方案的组合，将适合给定应用。但如果输入电压实际降到5 V以下，会发生什么情况？某些制造商在审视冷车启动（cold cranking）条件下输入电压会否降至4.5 V。三种最常见的开关稳压器就是升压电压电源、降压/升压电源以及单端初级电感转换器（SEPIC）电源。
但这样的系统为汽车电子带来了一些独特的工程挑战，因为当发动机重新启动时，电池电压可能降到6.0 V甚至更低。此外，典型电子模块包含反极性二极管，用以在汽车跳接启动（jump started）而跳接线缆反向的事件中保护电子电路。二极管导致电池电压又下降0.7 V，使下游电路的电压仅为5.3 V或更低。由于许多模块仍要求5 V供电，此时电源就没有足够的余量来恰当工作。
一种解决途径是采用升压电源。升压电源接受较低的输入电压，并在输出端产生较高的电压。目前供应商正在电子模块的前端使用某种类型的升压电源，使其能够在由启动/停止系统导致的压降条件下恰当工作。下文将审视设计人员可用于这些启动/停止系统的不同方案，包括低压降（LDO）稳压器、电池反向保护方案，以及各种升压选择。
就像大多数工程问题一样，解决问题的方法也是多种多样。如果电池电压在输入端仅降至6 V，那么，首选及最简单的方案就是探寻仅要求《0.3 V余量的极低压降线性稳压器。这种方案适用于电流要求较低的模块，但对于需要更大电流的模块而言，设计人员就需要更多的选择了。
另一种方案是以肖特基二极管或P沟道MOSFET替代用于在前端进行电池反向保护的标准P-N结二极管。萧特基二极管的正向压降约为标准整流器的一半，因此，它增添了零点几伏的电压余量。改用肖特基二极管足够简单直接，因为它通常恰好适用于跟标准二极管一样的PCB焊盘，无须变更布线。但P沟道MOSFET（简称P-FET）要求变更PCB，还要求一些额外电路。
图1：采用P沟道MOSFET提供电池反向保护
图1显示了要求使用的3个元件，包括P-FET、齐纳二极管及电阻。需要选择恰当大小的P-FET，使其可以处理施加在模块输入端的电压，以及所要求的负载电流。此外，顾及系统散热要求很重要，因为FET的功率耗散等于电流的平方乘以FET的导通电阻。齐纳二极管保护MOSFET的栅极氧化物免受由过压条件导致的操作。大多数P-FET的栅极至源极连接能够处理15至20 V电压，故齐纳二极管必须设定为在此点之前钳位。电阻将栅极下拉至地电平以导通P-FET，但也必须恰当选择电阻的大小。电阻的阻抗不能太低，因为阻抗太低的情况下会让过大电流渡过齐纳二极管，因而滋生齐纳二极管的功率耗散问题。然而，如果电阻的阻抗太大，在此情况下P-FET的导通可能不会如所倾向般牢靠，而这方案的构思是希望降低由漏极至源极两端的电压。
很可能的情况是，上述某种方案，或是某些方案的组合，将适合给定应用。但如果输入电压实际降到5 V以下，会发生什么情况？某些制造商在审视冷车启动（cold cranking）条件下输入电压会否降至4.5 V。三种最常见的开关稳压器就是升压电压电源、降压/升压电源以及单端初级电感转换器（SEPIC）电源。
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