汽车电源的设计有哪些难题？

现代的直流-直流转换器可以用作汽车电子系统中的紧凑型瞬态抑制器，汽车电池电源线路上有大量的干扰。

TIMOTHY HEGARTY

非隔离式电源解决方案

Texas Instruments

汽车电子子系统的增加产生了对能够在挑战性条件下工作的小型、廉价和高可靠性电子设备的需求。由于汽车电源轨上的噪声，出现了许多这种具有挑战性的情况。根据充电状态、温度和交流发电机的状况，汽车电池电压的稳态范围为9至16 V。然而，电源轨也受到一系列动态干扰，包括启动停止、冷启动和负载突降瞬态曲线。

汽车电源线连续和瞬态传导干扰测试的测试级别

所有这些类型的事件产生了对电子设备可能存在问题的电气条件。为了测试漏洞，每个汽车制造商都有自己丰富的传导抗扰（CI）测试套件，并且有ISO 7637和ISO 16750等国际标准给出的标准脉冲波形。除了常见的欠压和过压瞬态源之外，叠加在直流母线上的交流发电机正弦曲线噪声可能是有害的，尤其对于汽车信息娱乐和照明系统而言。

大多数汽车试图使用由低通电感加电容（LC）滤波器和瞬态电压抑制器（TVS）阵列组成的无源电路来消除瞬态干扰。这样一来，位于保护网络下游的汽车电子设备可以承受高达40V的瞬态电压而不会损坏。但是，低频情况下降低干扰所需的电感器/电解电容器组合占用了大量的空间。

幸运的是，有更紧凑的处理瞬态的方法。此方法使用具有高电源抑制比（PSRR，其中抑制表示为输出噪声与输入噪声的对数比）同步降压-升压直流/直流转换器的有源滤波器。除了处理滤波之外，有源滤波器还提供电池电压调节和瞬态抑制。

同步降压-升压转换器

设计与汽车电池配合使用的稳压器时，设计人员必须记住，电池电压可高于输出电压设定值（如电池充电时），低于设定值（与严重放电时相同），等于设定值。这种可变性需要降压-升压转换。传统的降压或升压转换器在这里无法满足要求的，因为两者分别仅是降压或升压转换。

可以围绕LM5175-Q1控制器设计四开关同步降压-升压转换器，以输出严格稳压的12V电源轨。这种方法适用于发动机管理单元（EMU）和其他重要的汽车功能，这些功能要求即使在最严重的电池电压瞬变期间，负载也必须保持通电而不出现问题。

这种现代降压-升压功率级的主要吸引力是将简单的降压或升压工作模式用于实现高转换效率。与传统的单开关（反相）降压-升压相反，电路产生正输出电压。另外，凭借简单的磁性组件，相对于SEPIC、反激式、Zeta和级联升压-降压拓扑结构，它有更小的功率损耗和更高的功率密度。

四开关降压-升压转换器具有直观的拓扑结构。它还相对紧凑，采用控制启动，同时在升压模式下引入短路保护。同样，控制和补偿很简单，转换器使用恒定开关频率。因此，这种方法适用于汽车电池电压调节。

该电路实现了具有组合峰谷电流模式控制的四开关降压-升压转换器。

当输入电压分别适当地高于或低于输出电压时，电路产生常规的同步降压或升压，并且相反非开关支路的高侧MOSFET导通为通过器件。

典型四开关降压-升压转换器电路原理图说明了功率级和LM5175-Q1控制器芯片的组件。控制器芯片包括集成栅极驱动器、偏置电源、电流感测电路、输出电压反馈、环路补偿、可编程欠压锁定电路以及用于降低噪声特征的抖动选项。设计人员可以选择开关频率。400 kHz开关频率可以降低电路占用空间，消除对AM广播频带的干扰。

在所附示意图中，四个功率MOSFET设置为全桥配置中的降压和升压桥臂，其中开关节点SW1和SW2通过功率电感器（由LF表示）连接。当输入电压分别适当地高于或低于输出电压时，发生传统的同步降压或升压，并且相反非开关支路的高侧MOSFET导通为通过器件。

但是，此降压-升压实施方案的最引人注目的特征是当输入接近输出电压设定值时，在降压-升压（B-B）转变区域中采用特殊方案。然后，降压和升压桥臂均以一半的开关频率，以相移、交错方式进行处切换，这非常有利于效率和功率损耗。

控制架构将升压中的峰值电流模式控制和降压中的谷值电流模式控制相结合，实现了平滑的模式转换，仅需要一个低侧配置的分流电阻即可实现电流检测。

效率和分解组件功率损耗与四开关同步降压-升压转换器的（a）负载电流和（b，下图）输入电压。升压-升压模式区域在效率与线路图中很明显。

ISO 16750-2叠加正弦交流测试电压（a），在两分钟扫描持续时间内从50Hz到25kHz的频率扫描记录（b）。

在9和16V输入电压下对转换器开环增益和相位图的仿真显示了相应的PSRR性能。

上图是9和16V输入的模拟波特图，环路交叉频率分别为14 kHz和17kHz。

下图是模拟PSRR，分别显示了在1kHz时，9V和16V输入的衰减分别为40dB和42dB。

观察效率和组件功率耗散对于转换器设计线路和负载的曲线图很有趣。考虑到总体损耗，具有12V稳压输出的转换器很容易在宽范围的输出电流和输入电压下达到95％以上的效率。

车载电子设备的一个重要特性是对音频（AF）范围内传导瞬态的抗干扰性。这种噪声的来源是在输出上有残余交流电的汽车交流发电机。交流发电机的定子绕组基本上是具有高阻抗输出的三相正弦电流源，馈入二极管全波整流器。整流产生重叠的电流脉冲，波纹由三相确定。

ISO 16750-2第4.4节描述了汽车电子设备应能承受的交流发电机输出的电压纹波。根据测试脉冲严重程度，测试信号在50 Hz至25 kHz的频率范围内，幅值为峰峰值1V，2V和4V。

最大PSRR

直流/直流转换器的PSRR与环路带宽相关并受其影响。环路带宽通常限于开关频率的20％或更低，取决于在升压模式下出现的右半平面零（RHPZ）频率。在诸如TI的LM5175-Q1等控制器中，PSRR性能在很大程度上与VIN 和负载变化无关。这是由于具有基于VIN 和VOUT差值的自适应斜坡补偿电流模式控制方案，设计用于提高PSRR和抑制线路瞬态。

在随附的电路原理图中，标注为CSLOPE的电容器用于斜坡补偿设置。CSLOPE 被选择为在谷值（峰值）电流模式降压（升压）工作模式下的典型的电感器上升斜坡（下降斜坡）的理想的无差拍响应。可用的电感器斜率的一半理论上提供最佳线路抑制，但这表示用于环路稳定性的最小斜坡补偿。

总而言之，四开关同步降压-升压转换器是在汽车应用中实现稳定电压调节，而且紧凑经济。它使得不再需要庞大的无源滤波器组件。此降压-升压控制器还通过了AEC-Q100汽车认证。

左图是当9V直流输入具有1V峰峰值幅值叠加1kHz正弦波纹时，同步降压-升压转换器的输出电压。所有电压都使用去除开关频率噪声的交流示波器探头耦合进行测量。输入电压通过连接为源极跟随器的串联n沟道MOSFET进行调制。输入信号衰减大约40dB，符合预期。右下图是在冷启动瞬变期间的输出电压，下降到3V持续20毫秒。使用汽车冷启动模拟器。如上所述，四开关同步降压-升压转换器通过冷启动曲线无缝调节，保持输出电压在其额定12V设定值。功率MOSFET在低输入电压时具有足够的栅极驱动幅度，因为VOUT为控制器的偏置引脚输入供电。

参考文献

Singh, Atul.“汽车后照灯LED电源的负载突降和起动保护”，TI应用报告（SNVA681A），2015年3月

“ISO 7637-2:2011,道路车辆——来自传导和耦合的电气干扰,” ISO标准网站

“ISO 16750-2:2012，道路车辆——电气电子设备环境条件和测试,” ISO标准网站

“采用冷启动操作、瞬态保护和EMI滤波器的前端电源参考设计,” TI设计(TIDA-00699)

Hegarty, T. “优化4开关降压-升压转换器的效率,” How2Power，2015年9月

Choudhary，V.和Jacob，M.“智能二极管和4开关降压-升压转换器为12V汽车电池轨提供超高效率、紧凑型解决方案”，PCIM欧洲，纽伦堡，2016年5月10-12日

LM5175EVM-HD 400 kHz高密度降压-升压转换器EVM，TI

“汽车启动模拟器用户手册,”TI (slvu984)