车载电源转换器

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车载电源设计知识

作者：JohnConstantopoulos、SanmukhPatel以及BradLittle，德州仪器(TI)

引言

在汽车工业中，对于车载电源管理的要求正变得愈加苛刻。现在，它们要求电

源能够工作在更宽的输入电压、更高的电流以及更高的温度极值条件下。这些

要求将使开关模式电源设计成为主流，因为这种电源设计具有更大的灵活性、

更优异的可配置性和更高的散热效率。

开关模式电源的核心组件是DC/DC转换器。今天的车载转换器必须能够支持

各种运行条件，例如：低压运行（也就是冷启动）和正瞬态生存性(positive

transientsurvivability)（也就是抑制或未抑制的抛负载状态）。车载子系统的出

现所带来的更高负载需求使得这些数据转换器设计变得更为复杂。本文将给读

者提供一个关于车载电源需求的简要介绍，并且介绍一款由TI最近推出的新型

DC/DC转换器TPIC74100。

车载瞬态保护

抛负载

几乎所有直接连接至汽车电池的电子组件和电路均要求保护，以免于受到抑

制、瞬态电压（高达60V）和反向电压状态的损害。对于这些电子电路而言，

必须能够经受住电源线路上一定程度的过电压，这也是一种常见的要求。对于

车载系统而言，尤为如此，为所有特殊车载电子系统提供电源输入的主电源必

须能够承受各种瞬态电压状态（包括交流发电机的抛负载）。抛负载是指去掉

负载时电源电压发生的变化。电压调节有一个时间常量，并且，如果迅速地将

负载去去掉，那么电压稳定则只需几毫秒的时间。车载电池的作用就是消除这

些脉冲，并保持电压更恒定。

由于交流发电机控制环路关闭的速度不够快，因此，在将电池电压去除掉时，

其会产生一个高输出电压脉冲。正常情况下，在汽车某个中央位置，这种高能

脉冲被控制或抑制在一个较低的电压范围内。但是，汽车厂商还是给供应商规

定了在其电源输入端上可能出现的剩余过电压。这种情况在轿车厂商中更为不

同，但是轿车的标准峰值大约为40V，而商务车的标准峰值则大约为60V。一

个典型抛负载脉冲的持续时间为几十分之几秒，下图（图1）显示了该抛负载

状态下的典型脉冲。

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图1一个抛负载瞬态的图表描述

•仪表板应用的冷启动

在车载运行环境中，对于电源管理芯片的需求日益增长。这些需求之一便是需

要能够运行于一个宽电压偏移范围的电源管理芯片，直接连接至电池的电子系

统通常都会有这种电压偏移范围。通过观察该冷启动脉冲，可以描述出此类瞬

态的一个例子。这种状态可发生在车辆在寒冷环境下的第一次启动。如果温度

可以足够的低（例如：冷却至零摄氏度）的话，那么引擎用油会变得粘稠。通

过要求提供更高的功率和更大的扭矩，这就对马达提出了重负载要求。这样就

需要能够提供更高电流的电池。重负载要求可以在该点火周期内将电池电压立

刻下拉至3V。

我们所面临的挑战是，一些应用必须在该过程中保持运行。这些应用并非只限

于动力传动系电子控制部件(ECU)或安全关键性应用，在一些集群及信息娱乐

子系统中也同样可以看到这些应用的踪影。当出现该条件时，电源管理芯片必

须对输入电压进行升压，以便保持正确的调节输出电压，从而保证这些电子系

统可以正确地发挥作用。

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图2输入电压变化或冷启动

可用于升压⁄降压转换的拓扑结构包括苦干不同的种类：单端初级电感转换器

(SEPIC)，或一种纯降压⁄升压转换器。

•SEPIC转换器

SEPIC转换器提供一种降压转换，直到输入电压等于或者降到输出电压电平之

下。然后，它将提供升压转换，直到电池电压降到最小的容许输入电压电平。

使用SEPIC的一个主要弊端是，它需要一个单耦合线圈（也即变压器）或者两

个单独电感，以及一个耦合电容器，如图3所示。

图3使用两个单独电感的SEPIC拓扑结构

这些电感和线圈的体积均较大，在印刷电路板(PCB)上需要更多的空间。在那

些必须保持体积尺寸和板级空间的应用中，这种情况就更加不适宜。

启动降压⁄升压转换器

车载应用中，对于降压⁄升压转换器的需求在过去的几年中日益急剧增长。对于

那些需要在电压瞬态期间（例如：冷启动）继续“存活”的应用而言，这就更

加有益。

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该降压⁄升压转换器是一款DC/DC转换器，其具有一个大于或小于输入电压振

幅的输出电压振幅。它是一款开关模式电源，具有同升压转换器和降压转换器

相类似的电路拓扑结构。根据开关晶体管的占空比，可以对该输出进行调节。

这种拓扑结构由一个降压功率级和其两个功率开关组成，并且这两个开关又通

过功率电感连接至一个升压功率级及其两个功率开关。这些开关能够在三种不

同运行模式中的一种模式下得到控制。这三个模式分别为降压⁄升压模式、降压

模式和升压模式。运行的特殊芯片模式是输入到输出电压比率的函数，同时也

是芯片的控制拓扑结构。

TI推出的TPIC74100-Q1是一款降压⁄升压开关模式调节器，其工作在电源概念

下，以确保一个带有输入电压偏移和规定负载范围的稳定输出电压。

图4TPIC74100纵览

这种降压⁄升压开关模式调节器集成了电压模式控制开关。其也是在同步配置中

被设计出来的，以获得增强的总体效率。借助于一些外部组件（LC组合），该

器件可将输出调节至5V±3%，以实现一个宽输入电压范围，使其可以被用于许

多高输入电压应用。当5V输出轨超出规定容差时，这种器件同时还提供一种

用于检测和指示的复位功能。通过使用REST引脚(terminal)上的一款外部计

时电容可以对该复位延迟进行编程。

TPIC74100拥有一个频率调制方案，其允许系统设计通过在频带上扩散频谱噪

声（而非在特定频率上达到峰值）来满足EMC要求。

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5Vg输出是一种开关5V调节输出，其具有内部电流限制功能，以在驱动一个

电源线路电容性负载时防止出现“复位”坚持(asrt)。这种功能由

5Vg_ENABLE引脚控制。如果该输出（5Vg输出）上有一个接地短路，那么输

出通过在斩波模式下运行进行自我保护。但是，在该故障状态下，这样做就会

增高V

OUT

的输出纹波电压。

降压⁄升压转换

根据输入电压(V

driver

)和输出负载条件，该运行模式自动在降压和升压模式之间

进行转换。

在正常运行模式中，该系统将会被配置为一个降压转换器。但是，在低输入电

压脉冲期间，该器件自动地转换到升压模式运行，以维持5V的电压调节。当

输入电压(V

drive

)介于5.8V和5V之间并且取决于负载条件的时候，就会发生

这种升压模式的转换。

当该器件正运行于升压模式且V(driver)处于5.8V至5V的转换窗口中时，输

出调节可能包含一个高于正常情况的纹波，并且仅维持一个3%的容差。这种

纹波和容差取决于负载情况，负载条件越高，性能就越高。

图5降压⁄升压结构

低功耗运行

在一些车载应用中，例如：传动系和仪表板群，要求低功耗模式运行以实现在

车辆点火处于“关闭”期间最小化功耗。降压⁄升压开关模式调节器拥有一个输

入LPM，其在轻负载期间被启用时将以脉冲频率调制(PFM)模式运行，此状

态下电流通常不到30mA。在大多数系统中，许多存储器设备均要求在点火处

于“关闭”状态时仍然需要一些功率来保留数据。这通常需要不到100uA的电

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流。降压⁄升压开关模式调节器拥有150uA（典型值）静态电流的低功耗模式。

通过开关频率的变化完成调节。

在PFM模式下，不存在用于输出负载的降低的负载电流。这种模式下，转换

器效率更低，由于更高的负载电流，输出电压纹波将比PFM模式下稍大一

些。实施低功耗模式功能，以实现降压模式运行。在升压模式条件下，该器件

将会自动地进入PWM模式。通过启用低功耗模式，降压和升压之间的转换与

PWM模式和PFM模式之间的转换同时进行。

结论

在许多车载应用中，车载瞬态电压是一个将会不断带来挑战的问题。在许多需

要在这些状态期间持续保持运行的车载电源管理系统中，或当电池电压意外地

降到要求输出电压电平之下时，降压⁄升压转换器将起到一个关键作用。

TPIC74100-Q1车载降压⁄升压转换器将简化车载环境中的设计，并且使设计工

程师可以节省外部组件和PCB空间，且具有功率开关和同步运行集成的特点。

TPIC74100-Q1采用一个带散热板的20引脚PWP封装，其规定的温度范围为

−40°C～+125°C。

参考信息

•如欲了解车载解决方案的更多详情，敬请访问：

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