開(kāi)關(guān)模式電源的核心組件是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器蚁堤。今天的車載轉(zhuǎn)換器必須能夠支持各種運(yùn)行條件，例如：低壓運(yùn)行（也就是冷啟動(dòng)）和正瞬態(tài)生存性 (positive transient survivability)（也就是抑制或未抑制的拋負(fù)載狀態(tài)）刽辙。車載子系統(tǒng)的出現(xiàn)所帶來(lái)的更高負(fù)載需求使得這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜窥岩。本文將給讀者提供一個(gè)關(guān)于車載電源需求的簡(jiǎn)要介紹，并且介紹一款由 TI 最近推出的新型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 TPIC74100宰缤。

在汽車工業(yè)中颂翼，對(duì)于車載電源管理的要求正變得愈加苛刻。現(xiàn)在慨灭，它們要求電源能夠工作在更寬的輸入電壓朦乏、更高的電流以及更高的溫度極值條件下。這些要求將使開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)成為主流挡医，因?yàn)檫@種電源設(shè)計(jì)具有更大的靈活性溢扳、更優(yōu)異的可配置性和更高的散熱效率炸笋。

車載瞬態(tài)保護(hù)

拋負(fù)載

幾乎所有直接連接至汽車電池的電子組件和電路均要求保護(hù)训癌，以免于受到抑制、瞬態(tài)電壓（高達(dá)60V）和反向電壓狀態(tài)的損害地毁。對(duì)于這些電子電路而言娶匠，必須能夠經(jīng)受住電源線路上一定程度的過(guò)電壓，這也是一種常見(jiàn)的要求唠延。對(duì)于車載系統(tǒng)而言炭答，尤為如此，為所有特殊車載電子系統(tǒng)提供電源輸入的主電源必須能夠承受各種瞬態(tài)電壓狀態(tài)（包括交流發(fā)電機(jī)的拋負(fù)載）袜簇。拋負(fù)載是指去掉負(fù)載時(shí)電源電壓發(fā)生的變化匾颁。電壓調(diào)節(jié)有一個(gè)時(shí)間常量，并且枷量，如果迅速地將負(fù)載去去掉帮观，那么電壓穩(wěn)定則只需幾毫秒的時(shí)間污益。車載電池的作用就是消除這些脈沖，并保持電壓更恒定先口。

由于交流發(fā)電機(jī)控制環(huán)路關(guān)閉的速度不夠快型奥，因此，在將電池電壓去除掉時(shí)碉京，其會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高輸出電壓脈沖厢汹。正常情況下，在汽車某個(gè)中央位置谐宙，這種高能脈沖被控制或抑制在一個(gè)較低的電壓范圍內(nèi)烫葬。但是，汽車廠商還是給供應(yīng)商規(guī)定了在其電源輸入端上可能出現(xiàn)的剩余過(guò)電壓凡蜻。這種情況在轎車廠商中更為不同厘灼，但是轎車的標(biāo)準(zhǔn)峰值大約為 40V，而商務(wù)車的標(biāo)準(zhǔn)峰值則大約為 60V咽瓷。一個(gè)典型拋負(fù)載脈沖的持續(xù)時(shí)間為幾十分之幾秒设凹，下圖（圖1）顯示了該拋負(fù)載狀態(tài)下的典型脈沖。

圖1：一個(gè)拋負(fù)載瞬態(tài)的圖表描述

儀表板應(yīng)用的冷啟動(dòng)

在車載運(yùn)行環(huán)境中茅姜，對(duì)于電源管理芯片的需求日益增長(zhǎng)闪朱。這些需求之一便是需要能夠運(yùn)行于一個(gè)寬電壓偏移范圍的電源管理芯片，直接連接至電池的電子系統(tǒng)通常都會(huì)有這種電壓偏移范圍引妖。通過(guò)觀察該冷啟動(dòng)脈沖冕泡，可以描述出此類瞬態(tài)的一個(gè)例子。這種狀態(tài)可發(fā)生在車輛在寒冷環(huán)境下的第一次啟動(dòng)缚迟。如果溫度可以足夠的低（例如：冷卻至零攝氏度）的話刑评，那么引擎用油會(huì)變得粘稠。通過(guò)要求提供更高的功率和更大的扭矩灭奉，這就對(duì)馬達(dá)提出了重負(fù)載要求且恼。這樣就需要能夠提供更高電流的電池。重負(fù)載要求可以在該點(diǎn)火周期內(nèi)將電池電壓立刻下拉至 3V过任。

我們所面臨的挑戰(zhàn)是捉寻，一些應(yīng)用必須在該過(guò)程中保持運(yùn)行。這些應(yīng)用并非只限于動(dòng)力傳動(dòng)系電子控制部件 (ECU) 或安全關(guān)鍵性應(yīng)用江眯，在一些集群及信息娛樂(lè)子系統(tǒng)中也同樣可以看到這些應(yīng)用的蹤影硼洁。當(dāng)出現(xiàn)該條件時(shí)，電源管理芯片必須對(duì)輸入電壓進(jìn)行升壓东摘，以便保持正確的調(diào)節(jié)輸出電壓欢策，從而保證這些電子系統(tǒng)可以正確地發(fā)揮作用。

圖2：輸入電壓變化或冷啟動(dòng)

可用于升壓∕降壓轉(zhuǎn)換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括苦干不同的種類：?jiǎn)味顺跫?jí)電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC)赏淌，或一種純降壓∕升壓轉(zhuǎn)換器踩寇。

SEPIC 轉(zhuǎn)換器

SEPIC 轉(zhuǎn)換器提供一種降壓轉(zhuǎn)換鸟废，直到輸入電壓等于或者降到輸出電壓電平之下。然后姑荷，它將提供升壓轉(zhuǎn)換盒延，直到電池電壓降到最小的容許輸入電壓電平。使用 SEPIC 的一個(gè)主要弊端是鼠冕，它需要一個(gè)單耦合線圈（也即變壓器）或者兩個(gè)單獨(dú)電感添寺，以及一個(gè)耦合電容器，如圖3 所示懈费。

圖3：使用兩個(gè)單獨(dú)電感的 SEPIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這些電感和線圈的體積均較大计露，在印刷電路板 (PCB) 上需要更多的空間。在那些必須保持體積尺寸和板級(jí)空間的應(yīng)用中憎乙，這種情況就更加不適宜票罐。

啟動(dòng)降壓∕升壓轉(zhuǎn)換器

車載應(yīng)用中，對(duì)于降壓∕升壓轉(zhuǎn)換器的需求在過(guò)去的幾年中日益急劇增長(zhǎng)泞边。對(duì)于那些需要在電壓瞬態(tài)期間（例如：冷啟動(dòng)）繼續(xù)“存活”的應(yīng)用而言颖喧，這就更加有益。

該降壓∕升壓轉(zhuǎn)換器是一款 DC/DC 轉(zhuǎn)換器顾惹，其具有一個(gè)大于或小于輸入電壓振幅的輸出電壓振幅铅坚。它是一款開(kāi)關(guān)模式電源，具有同升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器相類似的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)厉亥。根據(jù)開(kāi)關(guān)晶體管的占空比兰斑，可以對(duì)該輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個(gè)降壓功率級(jí)和其兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)組成藏趁，并且這兩個(gè)開(kāi)關(guān)又通過(guò)功率電感連接至一個(gè)升壓功率級(jí)及其兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)修暑。這些開(kāi)關(guān)能夠在三種不同運(yùn)行模式中的一種模式下得到控制。這三個(gè)模式分別為降壓∕升壓模式谎雷、降壓模式和升壓模式奥唯。運(yùn)行的特殊芯片模式是輸入到輸出電壓比率的函數(shù)，同時(shí)也是芯片的控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)婚乌。

TI 推出的 TPIC74100-Q1 是一款降壓∕升壓開(kāi)關(guān)模式調(diào)節(jié)器拗疯，其工作在電源概念下擒蝎，以確保一個(gè)帶有輸入電壓偏移和規(guī)定負(fù)載范圍的穩(wěn)定輸出電壓中姜。

圖4：TPIC74100 縱覽

這種降壓∕升壓開(kāi)關(guān)模式調(diào)節(jié)器集成了電壓模式控制開(kāi)關(guān)。其也是在同步配置中被設(shè)計(jì)出來(lái)的跟伏，以獲得增強(qiáng)的總體效率丢胚。借助于一些外部組件（LC 組合），該器件可將輸出調(diào)節(jié)至 5V±3%受扳，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)寬輸入電壓范圍携龟，使其可以被用于許多高輸入電壓應(yīng)用兔跌。當(dāng) 5V 輸出軌超出規(guī)定容差時(shí)，這種器件同時(shí)還提供一種用于檢測(cè)和指示的復(fù)位功能峡蟋。通過(guò)使用 REST 引腳 (terminal) 上的一款外部計(jì)時(shí)電容可以對(duì)該復(fù)位延遲進(jìn)行編程坟桅。

TPIC74100 擁有一個(gè)頻率調(diào)制方案，其允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)在頻帶上擴(kuò)散頻譜噪聲（而非在特定頻率上達(dá)到峰值）來(lái)滿足 EMC 要求蕊蝗。

5Vg 輸出是一種開(kāi)關(guān) 5V 調(diào)節(jié)輸出仅乓，其具有內(nèi)部電流限制功能，以在驅(qū)動(dòng)一個(gè)電源線路電容性負(fù)載時(shí)防止出現(xiàn) “復(fù)位”堅(jiān)持 (assert)蓬戚。這種功能由5Vg_ENABLE 引腳控制夸楣。如果該輸出（5Vg 輸出）上有一個(gè)接地短路，那么輸出通過(guò)在斬波模式下運(yùn)行進(jìn)行自我保護(hù)如麦。但是忱确，在該故障狀態(tài)下，這樣做就會(huì)增高 VOUT 的輸出紋波電壓聂挚。

降壓∕升壓轉(zhuǎn)換

根據(jù)輸入電壓 (Vdriver) 和輸出負(fù)載條件唐耿，該運(yùn)行模式自動(dòng)在降壓和升壓模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

在正常運(yùn)行模式中菱泻，該系統(tǒng)將會(huì)被配置為一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器窘螃。但是，在低輸入電壓脈沖期間馒俊，該器件自動(dòng)地轉(zhuǎn)換到升壓模式運(yùn)行册向，以維持 5V 的電壓調(diào)節(jié)。當(dāng)輸入電壓 (Vdrive) 介于 5.8V 和 5V 之間并且取決于負(fù)載條件的時(shí)候避揍，就會(huì)發(fā)生這種升壓模式的轉(zhuǎn)換瘸卦。

當(dāng)該器件正運(yùn)行于升壓模式且 V(driver) 處于 5.8V 至 5V 的轉(zhuǎn)換窗口中時(shí)，輸出調(diào)節(jié)可能包含一個(gè)高于正常情況的紋波蔓嚷，并且僅維持一個(gè) 3% 的容差柳锣。這種紋波和容差取決于負(fù)載情況，負(fù)載條件越高雕蔽，性能就越高折柠。

圖5：降壓∕升壓結(jié)構(gòu)

低功耗運(yùn)行

在一些車載應(yīng)用中，例如：傳動(dòng)系和儀表板群批狐，要求低功耗模式運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)在車輛點(diǎn)火處于“關(guān)閉”期間最小化功耗扇售。降壓∕升壓開(kāi)關(guān)模式調(diào)節(jié)器擁有一個(gè)輸入 LPM，其在輕負(fù)載期間被啟用時(shí)將以脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 模式運(yùn)行嚣艇，此狀態(tài)下電流通常不到 30mA承冰。在大多數(shù)系統(tǒng)中，許多存儲(chǔ)器設(shè)備均要求在點(diǎn)火處于“關(guān)閉”狀態(tài)時(shí)仍然需要一些功率來(lái)保留數(shù)據(jù)。這通常需要不到 100uA的電流困乒。降壓∕升壓開(kāi)關(guān)模式調(diào)節(jié)器擁有 150uA（典型值）靜態(tài)電流的低功耗模式寂屏。通過(guò)開(kāi)關(guān)頻率的變化完成調(diào)節(jié)。

在 PFM 模式下娜搂，不存在用于輸出負(fù)載的降低的負(fù)載電流迁霎。這種模式下，轉(zhuǎn)換器效率更低百宇，由于更高的負(fù)載電流欧引，輸出電壓紋波將比 PFM 模式下稍大一些。實(shí)施低功耗模式功能鹊尤，以實(shí)現(xiàn)降壓模式運(yùn)行迈招。在升壓模式條件下，該器件將會(huì)自動(dòng)地進(jìn)入 PWM 模式衣剂。通過(guò)啟用低功耗模式缘赋，降壓和升壓之間的轉(zhuǎn)換與 PWM 模式和 PFM 模式之間的轉(zhuǎn)換同時(shí)進(jìn)行。

結(jié)論

在許多車載應(yīng)用中惊派，車載瞬態(tài)電壓是一個(gè)將會(huì)不斷帶來(lái)挑戰(zhàn)的問(wèn)題誓胆。在許多需要在這些狀態(tài)期間持續(xù)保持運(yùn)行的車載電源管理系統(tǒng)中，或當(dāng)電池電壓意外地降到要求輸出電壓電平之下時(shí)送服，降壓∕升壓轉(zhuǎn)換器將起到一個(gè)關(guān)鍵作用庸飘。TPIC74100-Q1 車載降壓∕升壓轉(zhuǎn)換器將簡(jiǎn)化車載環(huán)境中的設(shè)計(jì)，并且使設(shè)計(jì)工程師可以節(jié)省外部組件和 PCB 空間炼杉，且具有功率開(kāi)關(guān)和同步運(yùn)行集成的特點(diǎn)瞒帜。TPIC74100-Q1 采用一個(gè)帶散熱板的 20 引腳 PWP 封裝，其規(guī)定的溫度范圍為-40°C～+125°C踢漏。

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