汽車電子應用中的冷啟動

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

　　最常使用的拓樸為降壓轉換器(圖 1)，只需要單一電感以及一組二極管與開關，就可以達成切換式DC/DC方案中最簡單、最節省成本的選擇之一。然而唯一的缺點是，這種方法只能產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」拓樸或升壓轉換器(圖 2)。這種拓樸所需的組件相似，但是可以產生高于輸入電壓的輸出電壓。

　　圖 1：基本的降壓轉換器

　　圖 2：基本的升壓轉換器

　　由于汽車板網電壓的變動幅度相當大(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的應用中，一定會產生輸入與輸出電壓互相跨越的情形。啟動過程中(發動引擎)絕不允許突然失能，特別是動力系統應用或某些導航及信息娛樂系統，這個問題可以透過使用返馳轉換器或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定的輸出電壓，并兼具只使用單一線圈的簡單設計，在同一個拓樸中，結合了降壓與升壓轉換器。兩種不同模式間的無縫轉換，可以在所有輸入電壓狀況下，產生穩定不中斷的輸出電壓。

　　圖 3：異步升降壓轉換器

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

　　圖4 開關取代二極管

　　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，轉換器的升壓開關(B1 與 B2)不會進行切換，B1 開關一定處于關閉狀態，這樣可讓電流由電感流至輸出電容器。B2 開關一定要開啟，以免造成輸出至接地 (GND) 的短路。

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

　　圖 5：導通階段的降壓轉換器電流流向

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

　　圖 6：飛輪階段的降壓轉換器電流流向

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

　　圖 7：降壓切換階段的電流波形