Matthias Ulmann 概括介紹如何管理發(fā)動機啟動過程中的電池壓降。

引言

工作在汽車領(lǐng)域的電子工程師遲早會面臨“啟動測試脈沖”問題。這些測試脈沖說明了發(fā)動機啟動過程中的電池壓降，所有汽車制造商對此都有其自己的標(biāo)準(zhǔn)。電池上連接有大量的電子產(chǎn)品電路，因此它們會受到這一事件的影響。在導(dǎo)航或多媒體系統(tǒng)等一些應(yīng)用中，人們不希望、甚至無法接受由于輸入電壓下降而導(dǎo)致的工作中斷。在這種情況下，升壓轉(zhuǎn)換器大多數(shù)布置在電路前面，以便為電子產(chǎn)品提供穩(wěn)定的輸入電壓。

在開發(fā)過程中，必須測試前置升壓轉(zhuǎn)換器的功能性，才能確保為負(fù)載點轉(zhuǎn)換器等后續(xù)電子產(chǎn)品實現(xiàn)快速啟動以及干凈穩(wěn)定的輸出電壓。這類應(yīng)用的典型解決方案是德州儀器 (TI) 的 TPS43330，其可提供兩個同步降壓轉(zhuǎn)換器和一個升壓轉(zhuǎn)換器。電池電壓可直接連接至升壓轉(zhuǎn)換器，而兩個降壓轉(zhuǎn)換器則連接至該升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端。

只要電池電壓下降至一個可調(diào)閾值以下，升壓轉(zhuǎn)換器就會啟動，為降壓轉(zhuǎn)換器提供 7V、10V 或 11V 的恒定電壓。

很多制造商都提供測試系統(tǒng)來仿真啟動脈沖，但可惜它們也有一定的“商業(yè)”價格。要測試具有不同標(biāo)準(zhǔn)化起動脈沖的、輸入功率高達 50W 的汽車電子系統(tǒng)，可使用以下所示低成本小型啟動仿真器。

規(guī)范

從根本上講，需要一個高度靈活的可編程、任意信號發(fā)生器，其可覆蓋 2 至 15V的輸出電壓范圍和 50W 的最大輸出功率，這些需求可分為三個部分。

對于電源部分而言，降壓轉(zhuǎn)換器是正確的選擇，因為無需電流隔離，而且它通?？蔀樗蟹歉綦x式拓?fù)鋵崿F(xiàn)最大的穩(wěn)壓帶寬。由于輸出電壓在 2 至 15V 的范圍內(nèi)，因此 24V DC 輸入電壓就是理想的電壓，在每一個實驗室都能找到的標(biāo)準(zhǔn)電源就可提供這樣的電壓。

要增大降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，只需提高占空比，電感器內(nèi)的電流方向保持不變即可。如果輸出電壓必須極速降低，只降低占空比是不夠的，還必須通過讓輸出電容器放電來盡快達到所需的最新輸出電壓。

圖 1 是非同步與同步降壓轉(zhuǎn)換器的功率級。在非同步拓?fù)渲惺褂玫亩O管只允許單向電流流過。如果將該二極管替換為 FET，則在輸出電容器上的電壓高于新設(shè)定值時，降壓控制器就會連續(xù)接通該低側(cè) FET。然后電流流過電感器的方向會發(fā)生變化，而輸出電容器則可通過將其經(jīng)由電感器連接至接地來實現(xiàn)放電。

圖 1. 非同步與同步降壓轉(zhuǎn)換器

當(dāng)然，在占空比可以非常低而輸出電流為高的此類應(yīng)用中，同步降壓可提供比非同步方案高得多的效率，因為在非同步方案中，二極管的正向壓降可引起高損耗。

圖 2. 降壓轉(zhuǎn)換器的占空比

要對輸出電壓實現(xiàn)快速穩(wěn)壓，就必須禁用控制器的任何‘二極管仿真’或‘電源安全模式’，使轉(zhuǎn)換器始終保持在連續(xù)導(dǎo)通模式下。與斷續(xù)導(dǎo)通模式相比，這種‘強制 PWM 模式’可增加低負(fù)載損耗，但對于該應(yīng)用而言，沒有任何作用。

TI 的 TPS40170 電壓模式降壓控制器符合所有要求，而且所集成誤差放大器的高帶寬（典型值為 10 MHz）還可實現(xiàn)輸出電壓的快速變化。

第二部分的內(nèi)容包括輸出電壓的變量及其快速變化。有幾種方法可改變工作過程中的輸出電壓，但可能最快的方法是為數(shù)字信號處理器 (DSP) 供電。根據(jù)處理器負(fù)載調(diào)節(jié)內(nèi)核電壓，可增強計算功能或降低損耗。這通常由一個動態(tài)電壓識別 (VID) 接口完成，如圖 3 所示。

圖 3. VID 接口

通過改變參考電壓或電壓（其可與參考電壓進行比較）可改變轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。由于參考電壓大多是固定的，而且不可通過控制器訪問，因此必須使用第二種方法。

將幾款附加電阻器與該分壓器的低側(cè)電阻器并聯(lián)布置，它就可通過小型 FET 進行開關(guān)。

在該電路中，增加 8 個附加電阻器和 FET，可在 2V 至 15V 輸出電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生 51mV 的分辨率。

TI 微控制器 MSP430F2274 可用來控制整個系統(tǒng)。三種不同標(biāo)準(zhǔn)的啟動脈沖（戴姆勒克萊斯勒發(fā)動機起動測試脈沖 DC-10615、大眾冷啟動測試脈沖以及熱啟動測試脈沖 VW80000）均在該 MCU 中進行了硬編程，它們既可按單脈沖觸發(fā)，也可按相同脈沖序列觸發(fā)，其間延遲可調(diào)。此外，該 MCU 還可處理由幾個按鈕和 LED 組成的用戶界面。

固件不僅可采用 C 語言進行編程，而且還顧及了評論良好的模塊化結(jié)構(gòu)。即使沒有什么編程經(jīng)驗，讓源代碼適應(yīng)您自己的需求（例如改變脈沖形狀）也沒有問題。開發(fā)環(huán)境“Code Composer Studio”可從 ti.com 上免費下載，可用來編程微控制器，并可使用 TI 低成本 MSP430 LaunchPad。

有源反極性保護與觸發(fā)器輸入輸出等部分電路外設(shè)可使該電路更穩(wěn)健、更簡單易用，以充分滿足實驗室日常使用需求。

測量

有關(guān)快速電壓變化（大眾冷啟動測試脈沖）的最關(guān)鍵脈沖如圖 4 所示。連接至輸出的是 50W 恒定負(fù)載，在測試脈沖開始時，輸出電壓必須在 1 ms 內(nèi)從 11V降低到 3.2V。

通道 2（紅色）是輸出電壓，而通道 1（黃色）則是輸出電流。由于負(fù)載是恒定的，因此在電壓下降時，電流必須相應(yīng)上升。該脈沖下的峰值輸出電流是 26A，如圖 5 所示。

圖 4. 大眾冷啟動測試脈沖

圖 5. 在 50W 恒定負(fù)載下，輸出電壓從 11V 變成 3.2V

為了顯示該系統(tǒng)的性能，對鋸齒波形進行了編程。圖 6 中的通道 2（紅色）是在 50W 恒定負(fù)載下從 2V 直線上升至 15V 的輸出電壓。只是從 2V 到 15V 的極度電壓變化不太完美，但也很不錯。

圖 6. 在 10ms 周期內(nèi)，從 2V 到 15V 的鋸齒形波

結(jié)論
這里顯示的系統(tǒng)已經(jīng)在日常實驗室使用中經(jīng)過驗證，能夠高度可靠地完成各項任務(wù)。它雖然是一個低成本的小型解決方案，但在用于測試導(dǎo)航與多媒體系統(tǒng)等汽車電子產(chǎn)品的啟動輸入脈沖時，表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

原理圖、材料清單、布局以及軟件等有關(guān)該項目的所有信息已在 ti.com 網(wǎng)站上的 PMP7233 目錄下提供。

關(guān)于作者
Matthias Ulmann 于 1980 年出生于德國烏爾姆，2006 年畢業(yè)于烏爾姆大學(xué)，獲電氣工程學(xué)位。在電機控制與太陽能逆變器領(lǐng)域工作數(shù)年后（專門從事 IGBT 驅(qū)動器工作），Ulmann 參加了 TI 模擬學(xué)院 (Analog Academy) 為期一年的培訓(xùn)項目。自 2010 年以來，他一直在位于德國弗萊辛的 EMEA 設(shè)計服務(wù)產(chǎn)品部工作，擔(dān)任參考設(shè)計工程師，其設(shè)計工作涵蓋適用于所有應(yīng)用領(lǐng)域的隔離式及非隔離式 DC/ DC 轉(zhuǎn)換器。