適用于汽車冷起動應用的雙開關降壓/升壓技術

一般來說，我們采用降壓升壓拓撲型拓撲來解決汽車應用中的寬闊輸入電壓范圍及冷起動需求。本文將詳細解釋冷起動的要求，并介紹兩種不同的解決方案。其中一種是傳統的SPEIC拓撲，而另一種是較新的多開關降壓/升壓拓撲。

　　下文將闡述每種方案的優劣勢，并且將著重指出雙開關降壓/升壓拓撲相對于傳統SEPIC拓撲的優勢。此外，本文還會結合美國國家半導體最新推出的LM5118仿電流模式降壓/升壓控制器來作應用說明。

　　冷起動條件

　　起動汽車其實就是通過電力起動馬達驅動內燃機。電力起動馬達消耗動力由汽車電池提供。啟動馬達需要的大負載將導致電池電壓逐漸下降。對于汽車起動來說，最壞的情況就是冷起動。這種情況發生在溫度極低的環境中，低溫環境會使汽車冷起動更加困難。當汽車處于氣溫極低的環境時，內燃機的轉動阻力會升至最高，因此需要較大的機械力量才能發動起來。因此，電力起動馬達所消耗的峰值電流將比在溫暖環境下發動時更高。另一個在冷起動情況下的影響因素是汽車電池的電壓會隨著氣溫下降而下降，并且電池越舊則下降的幅度越大。

　　上述兩個低溫效應會使汽車電池的最小供電電壓大幅下降。ISO7637標準制訂了汽車于冷起動條件下的基本電壓波形。圖1表示出冷起動條件下的電壓特性，其一般將電壓定義為兩個電壓水平。首先，當電力起動馬達開始轉動去克服初始機械阻力時，供電電壓便處于最低。接著機械系統運行起來，所需的電壓也隨之增大。最后，當電力起動馬達被關閉后，系統電壓便會返回正常水平。

一般來說，我們采用降壓升壓拓撲型拓撲來解決汽車應用中的寬闊輸入電壓范圍及冷起動需求。本文將詳細解釋冷起動的要求，并介紹兩種不同的解決方案。其中一種是傳統的SPEIC拓撲，而另一種是較新的多開關降壓/升壓拓撲。

　　下文將闡述每種方案的優劣勢，并且將著重指出雙開關降壓/升壓拓撲相對于傳統SEPIC拓撲的優勢。此外，本文還會結合美國國家半導體最新推出的LM5118仿電流模式降壓/升壓控制器來作應用說明。

　　冷起動條件

　　起動汽車其實就是通過電力起動馬達驅動內燃機。電力起動馬達消耗動力由汽車電池提供。啟動馬達需要的大負載將導致電池電壓逐漸下降。對于汽車起動來說，最壞的情況就是冷起動。這種情況發生在溫度極低的環境中，低溫環境會使汽車冷起動更加困難。當汽車處于氣溫極低的環境時，內燃機的轉動阻力會升至最高，因此需要較大的機械力量才能發動起來。因此，電力起動馬達所消耗的峰值電流將比在溫暖環境下發動時更高。另一個在冷起動情況下的影響因素是汽車電池的電壓會隨著氣溫下降而下降，并且電池越舊則下降的幅度越大。

　　上述兩個低溫效應會使汽車電池的最小供電電壓大幅下降。ISO7637標準制訂了汽車于冷起動條件下的基本電壓波形。圖1表示出冷起動條件下的電壓特性，其一般將電壓定義為兩個電壓水平。首先，當電力起動馬達開始轉動去克服初始機械阻力時，供電電壓便處于最低。接著機械系統運行起來，所需的電壓也隨之增大。最后，當電力起動馬達被關閉后，系統電壓便會返回正常水平。

為了在寬闊的輸入電壓范圍下提供高精確度的輸出電壓調節，必須用適當的控制方法驅動兩個開關MOSFET，以便為降壓與降壓/升壓模式之間提供一個順暢的過度。該控制器可根據輸入輸出的條件以三種不同的模式運行：

　　1.降壓操作 Vin >Vout：假如Vin 大于Vout一個足夠的份量，調節器便會以一個傳統的降壓穩壓器形式來運行。在這模式下，降壓轉換函數為Vout/Vin = D，其中D是Q1的占空比，而單純的降壓運行模式可確保得出最優的效率及調節效果。

　　當Vin 相對Vout下降至占空比接近70%時，升壓開關便會以一個最小的占空比被激活，使調節器進入一個軟降壓/升壓模式(圖3a)。

2.降壓/升壓操作 Vin≈Vout：隨著Vin進一步降低至接近Vout，降壓開關的占空比將會下降，與此同時升壓開關的占空比則上升。這也使降壓運行模式可以順暢轉換到升壓運行模式。
3.降壓/升壓操作 VinVout：隨著Vin進一步下降低于Vout，降壓與升壓開關的占空比將會相同。其時，轉換器會以一個全降壓/升壓模式來運行，而降壓/升壓轉換函數為Vout/Vin = D/(1-D)。其中D是開關MOSFET的Q1及Q2占空比(圖3b)。

　　配合這種運行模式，輸出電壓便可于Vin接近Vout時繼續維持穩定，原因是期間沒有發生電壓突變，只是從降壓與升壓模式之間出現一個漸進的轉換。

　　仿峰值電流模式控制方案

　　為了確保輸出電壓可在寬闊的輸入電壓范圍下進行調節，必須采用PWM電流模式控制方案。原因是電流模式控制可提供固有的線路前饋、逐周期性的電流限制及簡單閉環補償等特點。