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用于汽车启停系统的电源设计方案解析
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2017-12-11
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为了控制燃油消耗，许多汽车制造商在下一代汽车中实现了“启停”功能，而且为数众多的这种汽车已经开始上路。这些系统会在汽车停下来时关闭发动机，当脚从刹车踏板移动到加速踏板——或者在使用手动档情况下释放离合器踏板重新接入动力时又自动重新启动发动机。在城市行驶和停停走走的高峰时段这种功能非常有助于减少燃油消耗。
然而，这种系统也给汽车电子带来了一些独特的工程技术挑战，因为在发动机重启时电池电压可能降至6.0V或更低。另外，典型的电子模块都包含有一个反极性的二极管，用于在汽车搭线启动又意外将搭线接反时保护汽车威廉希尔官方网站 。这个二极管会使电池电压再降低0.7V，因此可供下游威廉希尔官方网站 使用的电压只有5.3V甚至更低。由于许多模块仍然需要5V电源供电，因此基本上没有了余量，很难保证威廉希尔官方网站 正常工作。
升压供电
一种方法是升压供电，即输入较低的电压，输出较高的电压。目前许多供应商在电子模块前端采用某种类型的升压电源，这样即使在因启停系统造成的降压条件下电子模块也能正常工作。
与大多数工程问题一样，解决问题的方法有许多。如果输入端的电池电压只是下降至6V，那么首选也是最简单的解决方案是寻找一款低压降的线性稳压器，这种稳压器只需不到0.3V的压差就能正常工作。这种方法适合电流要求较低的模块，但是对电流需求较高的模块来说，这种方法是不合适的。
另外一种方法是用肖特基二极管或P沟道MOSFET代替用于前端电池反极性保护的标准P-N结二极管。肖特基二极管的前向压降大约是标准整流管的一半，因此可以增加十分之几伏的压差余量。改用肖特基二极管相当简单，因为它与标准二极管一样可以直接安装在相同的PCB焊盘上，不需要修改版图。
图1：用P-FET实现电池反极性保护。
不过使用P沟道MOSFET要求修改PCB，还要增加一些额外的威廉希尔官方网站 。
图1表明需要三个元件：一个P-FET，一个齐纳二极管和一个电阻。P-FET需要考虑尺寸大小以便能够应付施加到模块输入端的电压以及要求的负载电流。另外，要认真考虑系统的散热要求，因为FET功耗等于电流的平方乘以FET的导通电阻。齐纳二极管可以防止MOSFET栅极氧化物因过压条件而损坏。大多数P-FET从栅极到源极连接可以承受15V至20V的电压，因此齐纳二极管的选型原则是必须能够在这个电压点之前钳位。电阻将栅极拉到地，用于导通P-FET，但它也必须调整到合适的值。阻值不能太小，太小将允许太多的电流流经齐纳二极管，从而引起功耗问题。然而，电阻阻值也不能太大，太大的话就不能可靠地使P-FET导通。总之这种方法的指导思想是减少漏极到源极连接上的压降。
电压突降到5V以下
对于给定应用来说，上述方案的一种或几种组合也许就能解决问题了。但如果输入电压真的降到了5V以下会怎样？一些制造商发现在“冷启动”条件下电压会降至4.5V。如果发生这种情况，那么就需要使用开关电源来提升输入电压。三种最常见的开关电源分别是升压电源、降压/升压电源以及SEPIC电源。
升压电源使用一个电感、一个N-FET、一个二极管和一个电容。这是最简单的设计，但也存在一些缺点。如果输出短路的话就没办法保护了，因为从输入到输出是一条直通的路径。另外，当输入电压上升到超过输出电压设定值时，将没有办法阻止输出电压同时上升，因为输入电压可以通过电感和二极管直通输出端。
举例来说，汽车上的大多数模块必须通过甩负载测试。在这种测试过程中会产生一个电压尖峰并施加到Vin端。在使用升压电源的情况下，这个电压尖峰将直接传播到输出端。因此如果传播的是40V尖峰电压，那么连接到Vout端的所有威廉希尔官方网站 都必须能够承受这个电压。
另外一种可能性是同相降压/升压设计。这种方案只使用一个电感和一个电容，但需要两个开关和两个二极管。不过这种方案允许设计师在输入电压高过输出电压时防止输出电压继续上升。通过切断第一个开关(FET1)，这种方案还能防止输出短路带来的影响。这种设计的缺点在于效率，因为两个二极管和两个开关都会发生损耗。
然而，这种系统也给汽车电子带来了一些独特的工程技术挑战，因为在发动机重启时电池电压可能降至6.0V或更低。另外，典型的电子模块都包含有一个反极性的二极管，用于在汽车搭线启动又意外将搭线接反时保护汽车威廉希尔官方网站 。这个二极管会使电池电压再降低0.7V，因此可供下游威廉希尔官方网站 使用的电压只有5.3V甚至更低。由于许多模块仍然需要5V电源供电，因此基本上没有了余量，很难保证威廉希尔官方网站 正常工作。
升压供电
一种方法是升压供电，即输入较低的电压，输出较高的电压。目前许多供应商在电子模块前端采用某种类型的升压电源，这样即使在因启停系统造成的降压条件下电子模块也能正常工作。
与大多数工程问题一样，解决问题的方法有许多。如果输入端的电池电压只是下降至6V，那么首选也是最简单的解决方案是寻找一款低压降的线性稳压器，这种稳压器只需不到0.3V的压差就能正常工作。这种方法适合电流要求较低的模块，但是对电流需求较高的模块来说，这种方法是不合适的。
另外一种方法是用肖特基二极管或P沟道MOSFET代替用于前端电池反极性保护的标准P-N结二极管。肖特基二极管的前向压降大约是标准整流管的一半，因此可以增加十分之几伏的压差余量。改用肖特基二极管相当简单，因为它与标准二极管一样可以直接安装在相同的PCB焊盘上，不需要修改版图。
图1：用P-FET实现电池反极性保护。
不过使用P沟道MOSFET要求修改PCB，还要增加一些额外的威廉希尔官方网站 。
图1表明需要三个元件：一个P-FET，一个齐纳二极管和一个电阻。P-FET需要考虑尺寸大小以便能够应付施加到模块输入端的电压以及要求的负载电流。另外，要认真考虑系统的散热要求，因为FET功耗等于电流的平方乘以FET的导通电阻。齐纳二极管可以防止MOSFET栅极氧化物因过压条件而损坏。大多数P-FET从栅极到源极连接可以承受15V至20V的电压，因此齐纳二极管的选型原则是必须能够在这个电压点之前钳位。电阻将栅极拉到地，用于导通P-FET，但它也必须调整到合适的值。阻值不能太小，太小将允许太多的电流流经齐纳二极管，从而引起功耗问题。然而，电阻阻值也不能太大，太大的话就不能可靠地使P-FET导通。总之这种方法的指导思想是减少漏极到源极连接上的压降。
电压突降到5V以下
对于给定应用来说，上述方案的一种或几种组合也许就能解决问题了。但如果输入电压真的降到了5V以下会怎样？一些制造商发现在“冷启动”条件下电压会降至4.5V。如果发生这种情况，那么就需要使用开关电源来提升输入电压。三种最常见的开关电源分别是升压电源、降压/升压电源以及SEPIC电源。
升压电源使用一个电感、一个N-FET、一个二极管和一个电容。这是最简单的设计，但也存在一些缺点。如果输出短路的话就没办法保护了，因为从输入到输出是一条直通的路径。另外，当输入电压上升到超过输出电压设定值时，将没有办法阻止输出电压同时上升，因为输入电压可以通过电感和二极管直通输出端。
举例来说，汽车上的大多数模块必须通过甩负载测试。在这种测试过程中会产生一个电压尖峰并施加到Vin端。在使用升压电源的情况下，这个电压尖峰将直接传播到输出端。因此如果传播的是40V尖峰电压，那么连接到Vout端的所有威廉希尔官方网站 都必须能够承受这个电压。
另外一种可能性是同相降压/升压设计。这种方案只使用一个电感和一个电容，但需要两个开关和两个二极管。不过这种方案允许设计师在输入电压高过输出电压时防止输出电压继续上升。通过切断第一个开关(FET1)，这种方案还能防止输出短路带来的影响。这种设计的缺点在于效率，因为两个二极管和两个开关都会发生损耗。
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