用于汽车冷曲柄条件的简单,经济高效的预增压器

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预计开始停止功能将在任何制造商的越来越新的汽车模型中出现。但是,这在汽车电子设计中提出了挑战,因为在寒冷的天气中起动电机可以使电池的电压降低至3V。这被称为“冷曲轴”。

大多数12V汽车系统的功率级由一个单降压转换器组成,通常调节输出电压到5V或3.3V。即使稳压器开始在低dropout模式下工作,大多数电路也会受到输入电压下降的影响,并可能停止工作。

本文以典型的5V, 5W到15W电源为例,讨论了为什么预升压是这个问题的最佳解决方案。

实施预升压

在这种情况下,目标是保持功率级的输出电压在一个恒定的水平,而不考虑输入电压,同时记住冷曲柄只影响系统的一小部分总工作时间。这意味着一个好的解决方案必须对成本、效率和EMI的影响最小。

预升压演示

图1:MPS预升压演示板响应冷曲柄电压瞬态。测试条件:vO.= 5V,我O.= 1.5a.

预升压包括升压转换器,该升压转换器在降压转换器之前串联连接。作为名称提示,预升压提高了降压转换器的输入电压,以防其水平降至一定阈值以下。这允许降压转换器具有稳定的输入电压并将其输出正确调节到恒定水平,而不管12V线束中的瞬态。图1示出了预升压预升压的示例,其中系统的输出电压在输入轨上的扰动中免疫。

这个设计的美丽之处在于,它采用了输入滤波器电感和极性保护二极管,这通常已经在汽车应用中使用,并将它们用于升压转换器。这有助于节省成本,在额外的组件和板空间,同时保持相同的效率和EMI性能,如果预助推器没有使用。

图2.显示典型的降压转换电路。在该电路中,D1二极管可保护系统免受反极性电池连接。C1,C2和L1形成用于进行EMI的π(PI)滤波器。C3是滤波器和转换器之间的阻尼电容器。C4,C5,L2和降压IC形成降压转换器本身。

简化汽车降压转换器

图2:简化的汽车降压转换器

通过重新排列某些组件并添加异步升压转换器和保护二极管,可以容易地实现预增强器(见图3)。

图3:带有预升压的简化汽车降压转换器

在该配置中,D1用作升压转换器中的异步整流器,并且L1是升压电感器。C1和C2分别是其输入和输出电容,而C3充当缓冲器以保持电压的短暂时间,而升压在发生冷曲柄的情况下开始工作。D2被添加以保护升压IC免受反极性电池连接,并且不会影响在冷曲柄期间仅进行的效率。还保持极性保护和过滤功能。

MPQ3426.来自MPS是45V,6A,AEC-Q100合格的异步升压转换器,可以从输入电压低至3.2V。凭借其小3mmx4mm QFN封装和最小的外部元件要求,它可以轻松实现预升压,同时最大限度地减少对成本和性能的影响。

MPQ3426的VIN引脚是内部电路的偏置电源,应该连接到降压转换器的输出轨。这减少了内部LDO中的损耗,使升压IC的偏置电源独立于系统输入电压,并将升压前的工作电压范围扩展到45V。

另一方面,由于系统始终以大约12V的电池电压从电池电压开始,降压转换器接通并为预增压源,确保输入电压始终高于3.2V并增加冷曲柄期间的输出功率能力。预升压可以调节的最低瞬态电压仅受升压IC的开关电流限制。

设置预升压的输出电压在7.5V和9.5V之间确保预升压在正常情况下不会开始切换,但是当发生冷曲柄情况时它将具有快速响应。由于预增值未在正常情况下切换,因此它不会产生任何损失,也不会发出EMI。这种预升压设计已被证明,演示板与来自MPS的降压转换器配对MPQ443036V系列,AEC-Q100合格的同步降压转换器(见图4)。

图4:MPS预升压演示板

在设计预升压时,必须特别注意选择电感器和二极管。在冷曲轴瞬态期间,输入电压非常低,但输出功率保持不变;因此,电感器需要足够高的饱和电流,使得预增压在瞬态期间可以具有良好的性能。这种饱和电流应大于峰值电感器电流(i)冷曲柄时。我由冷曲柄期间的最大输入电流决定(iLDC.)并且还通过电感纹波电流(ΔIL.),分别用式(1)、式(2)、式(3)计算。

(1)$$ i_ {峰值} = i_ {ldc} + {\ delta i_l \ over2} $$(2)$$ i_ {ldc} = {v_ {out}·i_ {out} \ over v_ {in}$$(3)$$ \ delta i_l = {v_ {in}·(v_o-v_ {in})\ over v_o·f_ {sw}·l} $$

对于该应用,已经选择了具有9.2a的饱和电流的2.2μH电感器。

另一方面,在冷曲柄过程中,二极管需要比预升压输出电流更高的直流额定值,比降压变换器的标称输入电流高25%左右。更重要的是,它还要求峰值额定电流高于电感的峰值电流(I)冷曲柄时。

汽车应用可以对冷曲柄电188比分直播吧压曲线有不同的要求,可以找到一些典型的典型图5.,具有正常的轮廓和严重的冷曲柄曲线。预升压的输出功率能力将非常取决于冷曲柄期间实现的最小电压电平,因为较低的输入电压,峰值电感电流可以高。以下是比较系统可以提供的最大输出电流的表与冷曲柄期间的最低电压。

冷曲柄期间的最低输入电压 5V输出电压的最大输出电流
3.0V. 1.8A
3.5V. 2.5A
4.0V. 3.2A
4.2V. 3.5A

表1:预推进演示板功率能力

5.

图5:冷曲柄测试电压尺寸

为了测试电路板对冷曲柄事件的响应,有相应的汽车电压瞬态发电机,它与电压剖面已经编程。它也可以很容易地用可编程电源进行测试,这在大多数电子实验室都很常见。图6.示出了一种波形,其细节在通道1中的冷曲柄电压瞬态的开始,通道2中的通道2中的预升压的输出电压以及通道3中的系统的输出电压。

图6:特写率为MPS预升压演示板响应冷曲柄电压瞬态。测试条件:vO.= 5V,我O.= 1.5a.

结论

通道3中的波形表明,输出电压在5V处保持恒定,而不从冷曲柄冲击,这将输入电压达到约3.2V。通道2显示预增压如何快速对电压瞬态反应,并将输出电压调节到9.5V。这表明预升压是需要在瞬态电压期间连续操作的汽车系统的优异解决方案。

在更高的功率应用中,预升压可以使188比分直播吧用升压控制器如MPQ3910A,它驱动一个外部晶体管,具有更高的电流能力。实施预增压解决了冷曲柄设计的挑战,比现有的少数替代方案节省更多的成本和空间。这允许一个无缝平滑的启动-停止功能,增强最终用户的体验。

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