1.前言

汽車系統(tǒng)旨在承受溫度的廣泛變化、極端輸入瞬變和其他干擾。我們汽車中的幾乎所有電子設(shè)備都經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試，需要滿足汽車電子委員會(huì) (AEC) 規(guī)定的質(zhì)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和組件認(rèn)證。大多數(shù)汽車系統(tǒng)由 12V 鉛酸電池供電，我們可能知道，電池電壓在我們可以想象的幾乎所有條件下都會(huì)發(fā)生變化：環(huán)境溫度、負(fù)載條件、年齡；這個(gè)清單不勝枚舉。  

在正常工作條件下，電壓可以在 9V 到 16V 之間變化。在某些操作條件下，電壓可能擺動(dòng)得更遠(yuǎn)。內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火時(shí)，12V鉛酸蓄電池必須為啟動(dòng)電機(jī)的繞組提供足夠的能量，短時(shí)間提供大量電流，導(dǎo)致蓄電池電壓急劇下降。極低的溫度會(huì)導(dǎo)致電池電壓降得更低。這種現(xiàn)象稱為冷車發(fā)動(dòng)。典型的測(cè)試波形如圖 1 所示，其中電壓可降至 3V。 

圖 1：汽車電池冷啟動(dòng)電壓曲線

2.汽車電壓選擇

汽車電器的電壓較低，一般有6V、12V、24V三種額定電壓，現(xiàn)代汽車普遍采用12V電源。一些重型汽車采用24V電源，有的重型汽車只是柴油機(jī)起動(dòng)裝置采用24V電源，其他用電設(shè)備仍為12V電源，通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來改變電源的電壓。采用低壓的主要優(yōu)點(diǎn)是安全、電源簡(jiǎn)單、蓄電池單格數(shù)較少。

汽車采用直流電是因?yàn)樾枰眯铍姵刈鳛榘l(fā)動(dòng)機(jī)電力啟動(dòng)電源，蓄電池電能消耗后也必須用直流電充電，因此汽車上電氣系統(tǒng)一直都是直流電。

現(xiàn)代汽車和工業(yè)系統(tǒng)需要穩(wěn)定的電壓源，即使系統(tǒng)輸入電壓從一個(gè)極端變到另一個(gè)極端，電壓源也須保持穩(wěn)定。在汽車系統(tǒng)中，冷啟動(dòng)、動(dòng)態(tài)燃油管理系統(tǒng)中的氣缸停用/激活或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載顯著改變可能會(huì)導(dǎo)致輸入電壓發(fā)生明顯變化。同樣，在工業(yè)應(yīng)用中，線路電壓不足是一個(gè)問題，大功率設(shè)備的電機(jī)開啟會(huì)導(dǎo)致輸入電壓嚴(yán)重下降。

即便電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)無法在低壓輸入下為負(fù)載提供所需全部功率，但無論輸入電壓電平如何，這些系統(tǒng)中的許多系統(tǒng)都必須保持運(yùn)行狀態(tài)。例如，廣泛使用的高壓升壓和降壓轉(zhuǎn)換器采用具有標(biāo)準(zhǔn)柵極電平的高壓MOSFET。當(dāng)輸入下降時(shí)，偏置電壓應(yīng)保持在10 V以上，以使柵極驅(qū)動(dòng)器維持正常工作。無論輸入條件如何，關(guān)鍵的數(shù)字控制和信息系統(tǒng)都應(yīng)具有偏置電壓并保持運(yùn)作。

如果預(yù)計(jì)輸入電壓不會(huì)降至所需的偏置電平以下，并且設(shè)計(jì)目標(biāo)是使用外部偏置電源來最大程度地降低開關(guān)控制器的功耗，那么可以采用簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器。

如果輸入電壓降至所需的偏置電平以下，此設(shè)計(jì)的性能展望將發(fā)生顯著變化。在這種情況下，僅使用降壓轉(zhuǎn)換器是不夠的，因?yàn)楫?dāng)輸入降至所需的輸出以下時(shí)，輸出電壓會(huì)跟隨輸入。

3.設(shè)計(jì)方案

假設(shè)我們正在設(shè)計(jì)一個(gè)直接由這個(gè) 12V 鉛酸電池供電的 12V 汽車音響系統(tǒng)。我們?nèi)绾巫屢纛l系統(tǒng)以恒定的輸入電壓供電？請(qǐng)記住，如上所述，電池電壓的范圍可以從 3V 到 16V。降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)起作用嗎？不。當(dāng)電池電壓低于 12V 時(shí)，音頻系統(tǒng)的輸入將下降，可能導(dǎo)致掉電情況。讓我們?cè)囋嚿龎恨D(zhuǎn)換器。不。當(dāng)電池電壓高于 12V 時(shí)，音頻系統(tǒng)的輸入會(huì)升高，可能會(huì)導(dǎo)致過壓情況，從而損壞我們的電子設(shè)備。我們需要的是一個(gè)升降壓轉(zhuǎn)換器。顧名思義，無論輸入電壓如何，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以降壓（降壓）或升壓（升壓）至穩(wěn)定的輸出電壓。最重要的是，盡管電壓波動(dòng)，它仍能提供恒定的能量。圖 2 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)升壓至降壓拓?fù)洹?nbsp;

圖 2：級(jí)聯(lián)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

降壓-升壓拓?fù)溆卸喾N變化和簡(jiǎn)化，與圖 2 中所示的拓?fù)湎啾染哂性S多優(yōu)勢(shì)。例如，兩個(gè)轉(zhuǎn)換器可以簡(jiǎn)化并共享一個(gè)電感，從而節(jié)省電路板空間（見圖 3A）。想提高效率？移除續(xù)流二極管并添加 MOSFET 以降低傳導(dǎo)損耗，即四開關(guān)降壓-升壓（圖 3B）。還在為板級(jí)空間而煩惱嗎？為什么不采用四開關(guān)轉(zhuǎn)換器并移動(dòng)控制 IC 內(nèi)的 MOSFET（圖 3C）并節(jié)省寶貴的 PCB 空間。

圖 3A：2 開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

圖 3B：4 開關(guān)升降壓轉(zhuǎn)換器

圖 3C：具有集成 MOSFET 的升降壓轉(zhuǎn)換器