作者：德州儀器系統(tǒng)工程師 Hannes Estl

從冷啟動到負載突降，升降壓轉(zhuǎn)換器可以在所有汽車電池電壓的范圍內(nèi)，提供穩(wěn)定不中斷的電壓。

簡介

12V 汽車板網(wǎng)的電壓變化幅度大，可以說是汽車電子應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)，電壓范圍可由 3.5V 至 28V (45V)，因此線性電壓調(diào)節(jié)器以及降壓或升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器等簡單的電源方案，無法保證一定能提供電子控制單元 (ECU) 所需的電壓。升降壓轉(zhuǎn)換器拓樸可以突破這個困境，不需要使用磁耦合線圈（例如 SEPIC 或返馳轉(zhuǎn)換器這類的變壓器），并能提供低成本且具有彈性的系統(tǒng)方案。

對于許多汽車環(huán)境中的應(yīng)用與ECU來說，由電池及發(fā)電機所提供的電壓會有不足的問題，首先必須轉(zhuǎn)換至正確的電壓水平。一般會使用DC/DC切換式電壓調(diào)整器與線性穩(wěn)壓器來達成這個目標。本文將著重于切換式穩(wěn)壓器的討論，因為線性方案無法產(chǎn)生高于輸入電壓的輸出電壓。

較常使用的拓樸為降壓轉(zhuǎn)換器（圖 1），只需要單一電感以及一組二極管與開關(guān)，就可以達成切換式DC/DC方案中較簡單、較節(jié)省成本的選擇之一。然而唯一的缺點是，這種方法只能產(chǎn)生低于輸入電壓的輸出電壓。 如果輸出電壓需要高于輸入電壓，可以使用「反向」拓樸或升壓轉(zhuǎn)換器（圖 2）。這種拓樸所需的組件相似，但是可以產(chǎn)生高于輸入電壓的輸出電壓。

圖 1：基本的降壓轉(zhuǎn)換器

圖 2：基本的升壓轉(zhuǎn)換器

由于汽車板網(wǎng)電壓的變動幅度相當(dāng)大（啟動時可低至 3.5V，在箝位負載突降期間也可高至 45V），因此在有些ECU的應(yīng)用中，一定會產(chǎn)生輸入與輸出電壓互相跨越的情形。啟動過程中（發(fā)動引擎）絕不允許突然失能，特別是動力系統(tǒng)應(yīng)用或某些導(dǎo)航及信息娛樂系統(tǒng)，這個問題可以透過使用返馳轉(zhuǎn)換器或 SEPIC 拓樸得以解決，不過所需變壓器型電感的額外成本及空間較大，對客戶來說較不具吸引力。

即使輸入電壓跨越了輸出電壓值，升降壓拓樸仍然可以提供穩(wěn)定的輸出電壓，并兼具只使用單一線圈的簡單設(shè)計，在同一個拓樸中，結(jié)合了降壓與升壓轉(zhuǎn)換器。兩種不同模式間的無縫轉(zhuǎn)換，可以在所有輸入電壓狀況下，產(chǎn)生穩(wěn)定不中斷的輸出電壓。

圖 3：異步升降壓轉(zhuǎn)換器

在此結(jié)合了兩種不同的拓樸，因此相較于使用一組開關(guān)及二極管的單純降壓或升壓方式，異步升降壓轉(zhuǎn)換器需要使用兩組開關(guān)及二極管（圖 3）。為了提升整體效能，可以用開關(guān)取代二極管， 現(xiàn)在的拓樸結(jié)合電感看起來類似于完整的 H 橋（圖 4）。

這些裝置的一般功能，可再細分為三種操作模式:

1. 輸入電壓高于輸出電壓時的降壓模式
2. 輸入電壓低于輸出電壓的升壓模式
3. 輸入電壓在輸出電壓范圍中的轉(zhuǎn)移

降壓模式操作

在降壓模式中的操作，輸入電壓一定高于輸出電壓，在功能上類似于基本的降壓拓樸。在降壓模式中，轉(zhuǎn)換器的升壓開關(guān)（B1 與 B2）不會進行切換，B1 開關(guān)一定處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣可讓電流由電感流至輸出電容器。B2 開關(guān)一定要開啟，以免造成輸出至接地 (GND) 的短路。

在切換為「導(dǎo)通時間」時，會關(guān)閉 A1 開關(guān)，以對電感充電（圖 5）。在此周期中，電流由輸入處流經(jīng) A1 開關(guān)、線圈以及 B1 開關(guān)，并進入輸出電容器。

圖 5：導(dǎo)通階段的降壓轉(zhuǎn)換器電流流向

在周期的第二階段中（關(guān)閉時間），A1 開關(guān)會開啟，A2 開關(guān)則會關(guān)閉（圖 6）。充磁線圈會迫使電流由 GND 流經(jīng) A2 開關(guān)、線圈、B1 開關(guān)，然后進入輸出電容器（又稱為飛輪）。

圖 6：飛輪階段的降壓轉(zhuǎn)換器電流流向

在異步拓樸中，以二極管取代了 A2 開關(guān)作為被動飛輪組件。這可減少驅(qū)動器與場效晶體管 (FET) 的使用數(shù)量，但是也降低了轉(zhuǎn)換器的效能。在此操作中的切換負載周期，其依據(jù)為方程式 1 所示的輸入輸出電壓比。

圖 7：降壓切換階段的電流波形

升壓模式操作

在升壓模式操作中，輸入電壓一定低于輸出電壓，裝置會以基本的升壓拓樸操作。轉(zhuǎn)換器的降壓開關(guān)（A1 與 A2）不會在此模式中進行切換。A1 一定會關(guān)閉，讓電流由輸入流至電感；A2 一定要開啟，以免造成輸入至 GND 的短路。

在切換為「導(dǎo)通時間」時，會關(guān)閉 B2 開關(guān)，以對電感充電（圖 8）。在此周期中，電流由輸入處流經(jīng) A1 開關(guān)、線圈以及 B2 開關(guān)，并進入 GND。

圖 8：導(dǎo)通階段的升壓轉(zhuǎn)換器電流流向

在周期的第二階段中（關(guān)閉時間），B2 開關(guān)會開啟，B1 開關(guān)則會關(guān)閉（圖 9）。充磁線圈會迫使電流由輸入處流經(jīng) A1 開關(guān)、線圈、B1 開關(guān)，然后進入輸出電容器。

圖 9：飛輪階段的升壓轉(zhuǎn)換器電流流向

在異步拓樸中，以二極管取代了 B1 開關(guān)作為被動飛輪組件。較后結(jié)果與「降壓模式操作」中說明的內(nèi)容相同。在此操作中的切換負載周期，其依據(jù)為輸入輸出電壓比（方程式 2）。

圖 10：升壓切換階段的電流波形。

轉(zhuǎn)移操作

如果輸入與輸出電壓非常接近，單獨使用基本的降壓或升壓模式，都無法維持由封閉回路控制的穩(wěn)定輸出電壓。一項可能的作法，就是在特定的輸入電壓水平，切換不同模式（為了穩(wěn)定性，電壓閾值具有磁滯現(xiàn)象）。另一種方式可能要以交替切換頻率周期的做法，共同操作降壓與升壓模式，以確保穩(wěn)定的輸出電壓及良好的瞬時響應(yīng)。

圖 11：不同操作階段與模式中的電流及電壓波形

結(jié)論

很多產(chǎn)品可以協(xié)助客戶解決 12V 板網(wǎng)電壓范圍寬廣延伸的挑戰(zhàn)，如冷啟動狀況、負載突降，或電池耗盡等等。例如TI的TPIC74100 這類完全整合的 5V 1A 升降壓轉(zhuǎn)換器，可以維持穩(wěn)定的輸出電壓，也不需要昂貴笨重的變壓器型電感，因此可以確保應(yīng)用裝置在各種電池電壓的狀況下，進行完整操作。