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汽车电子系统降压型BUCK变换器设计技巧

现在高频高效DCDC变换器在汽车电子系统中应用越来越多。

高开关频率能够使用较小功率电感和输出滤除电容,从而在整体上减小系统尺寸,提升

系统紧凑性,并降低系统成本;高工作效率能够提升汽车电池使用时间,降低系统功率损耗,

从而减小系统发烧量,优化系统热设计,并深入提升系统可靠性。

但高开关频率会降低系统工作效率,所以在设计时必需在开关频率和工作效率之间作

部分折衷处理。本文关键针对DCDC降压型BUCK变换器应用于汽车电子系统时,探讨包含

上述问题在内部分设计技艺和注意事项,而且这些问题往往是工程现在设计时轻易忽略细

节。

一、 首先看看实际最小及最大输入工作电压

处理。高开关频率能够减小电感和电容值,所以能够使用较小体积和尺寸电感和电容,并

降低成本。但高开关频率会降低效率,并降低实际最大工作输入电压,和要求更高输入输

出电压差。

最高开关频率能够由下式计算:

其中: f S(MAX )为最大开关频率,tON(MIN) 为开关管要求最小导通时间, VD 为续流

二极管正向压降, VOUT 为输出电压, VIN 为正常工作输入电压, VDS (ON ) 为开关管导
通压降。

上式表明: t ON(MIN) 一定时,低占空比要求更低开关频率才能确保系统安全操作。一样,低开关频率许可更低输入输出电压差。

输入电压依靠于开关频率关键原因在于PWM控制器含有最小开通tON(MIN) 和最小关断时间tOFF(MIN)。假如其取值为150ns,也就是说开关管开通时导通时间最少要连续150ns, 低于150ns可能造成MOSFET无法正常开启;一样,开关管关断时关断时间最少要连续150ns,低于150ns可能造成MOSFET无法正常关断。这意味着最小占空比和最大占空比为:

工作电压范围, 同时使电感和电容尽可能小。 上式表明: 开关频率降低时占空比范围增加, 优化开关频率必需确保系统含有足够输入 通常芯片输入电压有一定额定工作电压范围, 除了额定工作电压, 实际输入工作电

压还要受到其它部分条件。最小实际输入工作电压通常由最大占空比来决定。BUCK变换器占空比为:

在输入电压最高时,占空比最小。最大实际输入工作电压由PWM控制器最小占空比决定:

假如输出在起动或短路工作条件下,输入电压必需低于以下计算结果:

由此可知:低开关频率能够在更高输入电压时安全操作。最短导通时间 tON(MIN) 是每个控制器能够接通高端MOSFET最短连续时间。它由内部定时延迟和接通高端MOSFET所需要栅极电荷量决定。低占空比应用能够靠近该最短导通时间,并应注意确保:

输入工作电压, 系统仍然能够工作, 在这种情况下, 占空比降到最短接 假如输出电压处于调整状态, 输入电压大于许可实际最大

通常,当峰值检测电压下降时, 每个控制器最短接通时间将逐步增加,如在轻负载条件下,最短接通时间将逐步增加,在含有低纹波电流强制连续操作应用中这一点尤其关键,在这种情况下占空比降至最短接通时间以下,就会发生显著跳脉冲现象,电流和电压纹波会显著增加。另外,电感饱和电流通常取输出电流1.3倍以上,对于部分恶劣工作条件如起动和输出短路和高输入电压,电感饱和电流必需取更大值,以确保系统安全工作。

通常开关频率是固定,不过部分使用外部电阻设置开关频率同时BUCK控制器能够加一个稳压管Z1和限流电流R1实现在输入电压增加时,降低开关频率,从而扩大输入电压范围,图1所表示。

高输入电压时降频工作电路

这个电路带来问题时,在高输入电压时,因为频率降低,而电感值又一定,所以输出电流和电压纹波增加。频率在较宽范围内改变,电感无法优化工作,环路赔偿无法优化。经过增加稳压管Z2和限流电流R2来设定系统最低工作频率,从而频率改变范围。

3 实际最小输入工作电压

最小工作电压和最小关断时间tOFF(MIN) 关系为:

由上式可知: t OFF(MIN)一定时,高开关频率将增加实际最小输入工作电压。若要更低输入工作电压, 能够使用低开关频率。在部分同时BUCK 控制器中,当输入和输出压差降低到一定值时,系统将进入占空比为100%全导通或LDO控制方法。

第二、看瞬态最大峰值输入电压

伴随电池供电设备越来越多进入移动应用领域,大家使用汽车点烟器接通电源以使电池组在汽车行驶期间储存电能甚至再充电。但接通前,注意:在接通到极恶劣电源上,汽车内主电源电缆产生部分潜在瞬变,包含负载突降及电压电压倍增。负载突降是电池电缆松动结果。 当电缆连接中止时,交流发电机中磁场会会产生一个高达60V正尖峰电压,它能在几百毫秒中衰变。电池电压倍增是24V跳跃式起动时性能比12V愈加快让冷车发动结果。

下图是保护DCDC转换器不受汽车电源线损坏最简单直接方法。

瞬态抑制器在负载突降期间对输入电压进行箝位。注意:瞬态抑制器不应在双倍电池电压操作时导通,但仍必需将输入电压箝位在转换器击穿电压之下。

输入TVS 保护电路

陶瓷电容尺寸小,阻抗低,工作温度范围宽,很适合应用汽车电子中BUCK变换器输入端旁路电容。不过在BUCK变换器输入端插入工作电源时,即热插入,如汽车点烟器,这些陶瓷电容会产生应用问题:低损耗陶瓷电容和连接线杂散电感由低阻抗电源形成欠阻尼谐振环,产生振荡,在BUCK变换器输入端产生二倍输入电源电压尖峰,从而超出BUCK变换器输入端许可额定电压,损坏器件。在这种工作条件下,必需设计输入吸收网络阻止输入电压过冲尖峰。下面波形展示了BUCK变换器由一根6英尺双绞线连接到24V电源时波形。下图是输入仅加4.7uF陶瓷电容响应。输入电压振铃峰值为50V,输入电流峰值为26A。

输入仅加4.7uF陶瓷电容响应

使用阻尼振荡能够降低峰值电压,形成阻尼振荡有二个方法:①输入陶瓷电容增加一个

串联电阻;②使用电解电容。铝电解电容有高ESR,能够形成阻尼,减小振荡过冲;其电容能

够滤除低频纹波,另外,对系统效率稍有提升。只是其体积相对较大。 图4为一个22uF电

解电容和一个4.7uF陶瓷电容并联加在输入端时响应,陶瓷电容滤除高频纹波。输入电压

峰值显著降低。

输入为22uF电解电容并联4.7uF陶瓷电容响应

在输入端加一个0.7欧姆串联电阻也能够减小电压过冲,同时减小峰值电流,0.1uF 小

陶瓷电容滤除高频纹波。以下图 (a)所表示。

和电解电容方法相比,这种方法体积小成本低,在高输入电压时对系统效率影响并不大。

但输入电压相对较低时,系统效率略有降低。

(a)

(b)

输入加串联电阻响应

三、做好散热设计

功率MOSFET选择标准中包含导通电阻RDS (ON ) , 密勒电容CMILLER , 输入电压和最

大电压和最大输出电流。CMILLER可由MOSFET产品数据手则给出栅极充电曲线近似求出。

CMILLER 等于栅极电荷沿横轴增加,而曲线大约由VDS要求改变水平分割,然后由此结果和

应用中施加VDS和栅极充电曲线要求VDS比值相乘。工作CCM时高端和低端MOSFET占空

主开关管占空比: D = VOUT /VIN。 经由下式给出:

最大输出电流条件下MOSFET功耗由下式给出:

式中:δ 是RDS (ON ) 温度系数, R DR 约为4欧姆,是在MOSFET密勒门限电压条件下

有效驱动电阻, V THMIN 是经典MOSFET最小门限电压。

两个MOSFET 均含有I2R 损耗, 而高端N 沟道公式中包含一个用于计算转换损耗附加项, 这在高输入电压条件最大。 当VIN<20V 时采取较大MOSFET 通常可提升大电流效率, 而当

VIN>20V 时转换损耗快速增加。

这时采取含有较高 R DS (ON )器件和较低 C MILLER 实际上可

提供更高效率。同时MOSFET在高输入电压下,当高端工作于低占空比时或短路期间,同时

管靠近100%时间里处于导通状态时,此时损耗最大。1+δ项通常以一个归一化RDS (ON

)和温度关系曲线形式提供给MOSFET,但对于低压MOSFET,δ =0.005/℃可被用作一个近似

值。

肖特基二极管在两个功率MOSFET导通期间死区导通,能够预防低端MOSFET体内二极

管导通,在死区时间储存电荷,形成反向恢复。在高VIN条件下会造成效率减小最少3%。

因为流过平均电流相对较小,所以采取1或3A肖特基二极管是一个很好方案。

较大二极管因其含有结电容较大故会产生额外转换损耗。

效率和芯片最高工作温度相关。汽车电子所用芯片通常为I或H级,对于I级,芯片

在低环境温度下, 结温通常不是问题。 环境温度高于85°C 时, 必需小心仔细结温必需小于125°C, 对于H 级, 对于很多单芯片BUCK 控制器,

结温经过芯片功率损耗乘以结到环境热阻Rja进行计算。满载时芯片温升几乎完全不

依靠于输入电压,不加散热器时,热阻取决于PCB设计。在单芯片底部通常有一个裸露衬

垫,所以设计PCB时必需在对应位置也对应制作这么一个大铜皮焊盘,同时这个大焊盘经过

部分过孔连接到其它地层平面,以利于散热。

四、输入短路和反接保护

假如电感饱和电流足够大,BUCK 控制器短路时因为含有短路保护功效,所以不会产生

损坏。在部分电池充电系统中和用电池作备份系统中,电池和其它部分电源经过二极管以

“和”形式一起共同连接到BUCK控制器输出端时, 当BUCK控制器输入端断开时, 输出端仍

有高电压。 注意到BUCK控制器通常有一个/SHDN管脚到控制系统工作和关断,低电平有效,

通常以作SS软起动功效。通常此管脚经过一个电阻或直接连接到输入端。当输入端浮空

时,输出电压经过电感,内部高端MOSFET反向并联寄生二极管到输入端,/SHDN 管脚为高电

平,这么,BUCK 控制器内部电路经过电感从输出电压吸收多个毫平静态工作电流,影响电池

使用时间。当然假如/SHDN管脚为低电平,则此静态工作电流为0。假如输入短路,输出电

压经过电感,内部高端MOSFET反向并联寄生二极管到输入端,从而造成输出电压也短路,

这么电池将会快速放电。下图就是预防电池在输入短路情况下反向放电保护电路,D4 也预

防输入反接,只有在有输入电压里系统才工作。

1适宜开关频率能够确保系统含有足够输入工作电压范围,同时使电感和电容尺寸和体

积最小。

2实际最大输入工作电压由MOSFET所要求最短导通时间决定,实际最小输入工作电压

由MOSFET所要求最短关断时间决定。

3必需抑制输入瞬态电压,检验散热设计,增加输入短路和反接保护电路才能确保系统

安全工作。

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