汽車電子系統降壓型BUCK變換器的設計技巧

　目前高頻高效的DCDC 變換器在汽車電子系統中的應用越來越多。

　　高的開關頻率可以使用較小的功率電感和輸出濾除電容，從而在整體上減小的系統的尺寸，提高系統的緊湊性，并降低系統的成本；高的工作效率可以提高汽車電池的使用時間，降低系統的功率損耗，從而減小系統的發熱量，優化系統的熱設計，并進一步提高系統的可靠性。

　　但高的開關頻率會降低系統的工作效率，因此在設計時必須在開關頻率和工作效率之間作一些折衷處理。本文主要針對DCDC 降壓型BUCK 變換器應用于汽車電子系統時，探討包括上述問題在內的一些設計技藝和注意事項，而且這些問題往往是工程現在設計時容易忽略的細節。

　　1 實際的最小及最大輸入工作電壓

　　1.1 開關頻率

　　開關頻率必須在效率，元件的尺寸，最小的輸入與輸出電壓差，最大輸入電壓之間進行折衷處理。高的開關頻率可以減小電感和電容的值，因此可以使用較小體積和尺寸的電感和電容，并降低成本。但高的開關頻率會降低效率，并降低實際的最大的工作輸入電壓，以及要求更高的輸入輸出電壓差。

　　最高的開關頻率可以由下式計算：



　　其中：f_{S（MAX ）}為最大的開關頻率，t_ON（MIN）為開關管要求的最小的導通時間， V_D 為續流二極管的正向壓降， V_OUT 為輸出電壓， V_IN 為正常工作的輸入電壓，V_{DS （ON ）} 為開關管的導通壓降。

　　上式表明：t _ON（MIN） 一定時，低的占空比要求更低的開關頻率才能保證系統安全的操作。同樣的，低的開關頻率允許更低的輸入輸出電壓差。

　　輸入電壓依賴于開關頻率的主要原因在于PWM控制器的具有最小的開通t _ON（MIN） 和最小關斷時間t _OFF（MIN） 。如果其取值為150ns，也就是說開關管開通時導通時間至少要持續150ns ， 低于150ns 可能導致MOSFET無法正常的開啟；同樣的，開關管關斷時關斷的時間至少要持續150ns，低于150ns可能導致MOSFET無法正常的關斷。這意味著最小的占空比和最大的占空比為：



　　上式表明：開關頻率降低時占空比的范圍增加，優化的開關頻率必須保證系統具有足夠的輸入工作電壓范圍，同時使電感和電容盡量的小。

　　1.2 實際的最大輸入工作電壓

　　通常芯片的輸入電壓有一定額定的工作電壓范圍，除了額定的工作電壓的限制，實際的輸入工作電壓還要受到其它一些條件的限制。最小的實際輸入工作電壓通常由最大的占空比來決定。BUCK 變換器的占空比為：



　　在輸入電壓最高時，占空比最小。最大的實際輸入工作電壓由PWM控制器最小的占空比決定：



　　如果輸出在起動或短路的工作條件下，輸入的電壓必須低于以下的計算結果：



　　由此可知：低的開關頻率可以在更高的輸入電壓時安全的操作。最短導通時間t _ON（MIN） 是每個控制器能夠接通高端MOSFET的最短持續時間。它由內部定時延遲以及接通高端MOSFET所需要的柵極電荷量決定。低占空比的應用可以接近該最短導通時間限制，并應注意確保：



　　如果輸出的電壓處于調節的狀態，系統也不是起動和短路狀況，輸入電壓大于允許的實際最大輸入工作電壓，系統仍然可以工作，而與工作頻率無關。在這種狀況下，占空比降到最短接通時間能調節的水平以下，控制器將開始進入跳脈沖工作方式，即一些脈沖將被跳掉以維持輸出電壓的調節，此時輸出的電壓和電流紋波比正常工作狀態時輸出的電壓和電流紋波大。

　　通常，當峰值檢測電壓下降時， 每個控制器的最短接通時間將逐步增加，如在輕負載條件下，最短接通時間將逐步增加，在具有低紋波電流的強制連續操作應用中這一點特別重要，在這種情況下占空比降至最短接通時間限制以下，就會發生明顯的跳脈沖現象，電流和電壓的紋波會明顯的的增加。另外，電感的飽和電流通常取輸出電流的1.3倍以上，對于一些惡劣的工作條件如起動和輸出短路以及高的輸入電壓，電感的飽和電流必須取更大的值，以保證系統安全的工作。

通常開關頻率是固定，但是一些使用外部電阻設置開關頻率的同步BUCK 控制器可以加一個穩壓管Z1 和限流電流R1 實現在輸入電壓增加時，降低開關頻率，從而擴大輸入電壓的范圍，如圖1 所示。



圖1：高輸入電壓時降頻工作電路

　　這個電路帶來的問題時，在高輸入電壓時，由于頻率降低，而電感值又一定，所以輸出的電流和電壓紋波增加。頻率在較寬的范圍內變化，電感無法優化的工作，環路的補償無法優化。通過增加穩壓管Z2 和限流電流R2 來設定系統的最低工作頻率，從而限制頻率變化的范圍。

　　1.3 實際的最小的輸入工作電壓

　　在輸入電壓最低時，占空比最大。使用同步BUCK 控制器，最小的實際輸入工作電壓由PWM 控制器最大的占空比決定：



　　最小工作電壓與最小關斷時間t _OFF（MIN） 的關系為：



　　由上式可知：t _OFF（MIN）一定時，高的開關頻率將增加實際的最小的輸入工作電壓。若要更低的輸入工作的電壓，可以使用低的開關頻率。在一些同步BUCK 控制器中，當輸入和輸出的壓差降低到一定的值時，系統將進入占空比為100%的全導通或LDO 控制方式。

　　2瞬態最大峰值輸入電壓

　　隨著電池供電設備越來越多進入移動應用領域，人們使用汽車的點煙器接通電源以使電池組在汽車行駛期間儲存電能甚至再充電。但接通前，注意：在接通到極惡劣的電源上，汽車內的主電源電纜產生一些潛在的瞬變，包括負載突降及電壓電壓倍增。負載突降是電池電纜松動的結果。當電纜連接中斷時，交流發電機中的磁場會會產生一個高達60V 的正尖峰電壓，它能在幾百毫秒中衰變。電池電壓倍增是24V跳躍式起動時性能比12V 更快讓冷車發動的結果。

　　圖2 是保護DCDC 轉換器不受汽車電源線損壞的最簡單直接的方法。

　　瞬態抑制器在負載突降期間對輸入電壓進行箝位。注意：瞬態抑制器不應在雙倍電池電壓操作時導通，但仍必須將輸入電壓箝位在轉換器的擊穿電壓之下。



圖2：輸入TVS 保護電路