新方案解決啟停系統電壓不足問題

為了限制油耗，一些汽車制造商在其新一代車型中應用了“啟動/停止”功能。當汽車停下來時，這些創新的新系統會關閉發動機；

當駕駛員的腳從制動踏板移到油門踏板時，發動機將自動重新啟動。這有助于減少城市駕駛和走走停停交通高峰時段的油耗。

然而，這樣的系統給汽車電子設備帶來了一些獨特的工程挑戰，因為當發動機重新啟動時，電池電壓可能會降至6.0伏甚至更低。此外，典型的電子模塊包括一個反向極性二極管，以在汽車跨接啟動時跨接電纜反向的情況下保護電子電路。二極管使電池電壓再下降0.7伏，因此下游電路的電壓僅為5.3伏或更低。由于許多模塊仍然需要5V電源，因此電源沒有足夠的余量來正常工作。

一種解決方案是使用升壓電源。升壓電源接受較低的輸入電壓，并在輸出端產生較高的電壓。目前，供應商正在電子模塊的前端使用某種類型的升壓電源，以便在啟動/停止系統引起的壓降下正常工作。在下文中，我們將研究設計者可以用于這些啟動/停止系統的不同方案，包括低壓差（LDO）調節器、電池反向保護方案和各種升壓選項。

像大多數工程問題一樣，有很多方法可以解決它們。如果電池電壓在輸入端僅降至6 V，那么第一個也是最簡單的解決方案是僅探索<：具有0.3 V裕度的極低壓降線性穩壓器。該方案適用于電流要求較低的模塊，但對于電流要求較高的模塊，設計者需要更多的選擇。

另一種方案是使用肖特基二極管或P溝道MOSFET來取代前端用于電池反向保護的標準P-N結二極管。肖特基二極管的正向電壓降大約是標準整流器的一半，因此它增加了十分之幾伏的電壓裕度。切換到肖特基二極管足夠簡單和直接，因為它通常適用于與標準二極管相同的PCB焊盤，而無需改變布線。然而，P溝道MOSFET（簡稱P-FET）需要PCB修改和一些附加電路。

圖1：使用P溝道MOSFET提供電池反向保護

圖1顯示了所需的三個組件，包括P-FET、齊納二極管和電阻器。有必要選擇具有適當尺寸的P-FET，以便它能夠處理施加到模塊輸入的電壓和所需的負載電流。此外，考慮系統的散熱要求很重要，因為FET的功耗等于電流的平方乘以FET的導通電阻。齊納二極管保護MOSFET的柵極氧化物不受過電壓條件引起的操作的影響。大多數P-FET柵極到源極連接可以處理15到20伏的電壓，因此齊納二極管必須在這一點之前設置為箝位。電阻器將柵極下拉到地電平以導通P-FET，但電阻器的大小也必須正確選擇。電阻器的阻抗不應太低，因為如果阻抗太低，過多的電流將通過齊納二極管，這將滋生齊納二極管的功耗問題。然而，如果電阻器的阻抗太大，則P-FET的導通可能不如預期的那樣可靠，并且該方案的想法是降低從漏極到源極的電壓。

上述方案之一或某些方案的組合可能適用于給定的應用。但是，如果輸入電壓實際下降到5V以下，會發生什么？一些制造商正在檢查在冷起動條件下輸入電壓是否會降至4.5伏。三種最常見的開關穩壓器是升壓電源、降壓/升壓電源和單端初級電感轉換器（SEPIC）電源。

圖2：不同升壓電源的拓撲結構

升壓電源使用電感器、N溝道MOSFET（N-FET）、二極管和電容器。它的設計是最簡單的，但也有一些缺點。如果輸出短路，就沒有辦法保護它，因為在輸入和輸出之間有一個直接通道。此外，當輸入電壓上升到輸出電壓設定點以上時，沒有辦法阻止輸出電壓上升，因為輸入電壓只會通過電感器和二極管到達輸出。

例如，汽車中的大多數模塊都必須通過負載卸載測試。該測試產生一個電壓尖峰并將其施加到輸入電壓。在升壓電源中，此電壓尖峰將傳播到輸出端。因此，……

如果40V尖峰沿線路傳播，則連接到輸出電壓的任何電路都必須能夠處理這樣的高電壓。

開關穩壓器的另一種可能選擇是非反相降壓/升壓設計。這種設計只使用一個電感器和一個電容器，但需要兩個開關和兩個二極管。但這種方案確實使設計者能夠避免當輸入電壓上升到輸出電壓以上時輸出電壓上升。它還可以通過斷開第一開關（FET1）來提供輸出短路保護。這種設計的不足之處在于其能量效率，因為需要考慮兩個二極管和兩個開關的損耗。

SEPIC的設計在布線上與直接升壓轉換器非常相似，但不同之處在于這種設計增加了收發器電感和直流阻塞電容器。這種設計的缺點是增加了電感器和電容器，但優點是不再存在與輸出短路有關的任何問題，因為此時DC阻斷電容器與輸出串聯。通過這種方式，輸出不再受到輸入電壓的影響，因此它可以低于或高于輸入電壓。

需要指出的是，盡管上面列出了所有開關拓撲，但仍然需要電池反向保護方案，因為反向電流可能通過FET背面的體二極管從地電平流到輸入電壓。

總之，在啟動/停止交流發電機系統的設計中有許多問題需要考慮。本文只討論了電子模塊的電源問題，但還有其他問題需要解決。例如，當電壓下降時，內部照明和外部照明都將變暗。車內照明的閃爍問題也很煩人，但并不重要，剎車燈和前照燈影響安全，因此電源需要保持這些車的內部/外部照明明亮并持續工作。有利的是，目前市場上有這些問題的解決方案。為了限制油耗，一些汽車制造商在其新一代車型中應用了“啟動/停止”功能。當汽車停下來時，這些創新的新系統會關閉發動機；

當駕駛員的腳從制動踏板移到油門踏板時，發動機將自動重新啟動。這有助于減少城市駕駛和走走停停交通高峰時段的油耗。

然而，這樣的系統給汽車電子設備帶來了一些獨特的工程挑戰，因為當發動機重新啟動時，電池電壓可能會降至6.0伏甚至更低。此外，典型的電子模塊包括一個反向極性二極管，以在汽車跨接啟動時跨接電纜反向的情況下保護電子電路。二極管使電池電壓再下降0.7伏，因此下游電路的電壓僅為5.3伏或更低。由于許多模塊仍然需要5V電源，因此電源沒有足夠的余量來正常工作。

一種解決方案是使用升壓電源。升壓電源接受較低的輸入電壓，并在輸出端產生較高的電壓。目前，供應商正在電子模塊的前端使用某種類型的升壓電源，以便在啟動/停止系統引起的壓降下正常工作。在下文中，我們將研究設計者可以用于這些啟動/停止系統的不同方案，包括低壓差（LDO）調節器、電池反向保護方案和各種升壓選項。

像大多數工程問題一樣，有很多方法可以解決它們。如果電池電壓在輸入端僅降至6 V，那么第一個也是最簡單的解決方案是僅探索<：具有0.3 V裕度的極低壓降線性穩壓器。該方案適用于電流要求較低的模塊，但對于電流要求較高的模塊，設計者需要更多的選擇。

另一種方案是使用肖特基二極管或P溝道MOSFET來取代前端用于電池反向保護的標準P-N結二極管。肖特基二極管的正向電壓降大約是標準整流器的一半，因此它增加了十分之幾伏的電壓裕度。切換到肖特基二極管足夠簡單和直接，因為它通常適用于與標準二極管相同的PCB焊盤，而無需改變布線。然而，P溝道MOSFET（簡稱P-FET）需要PCB修改和一些附加電路。

圖1：使用P溝道MOSFET提供電池反向保護

圖1顯示了所需的三個組件，包括P-FET、齊納二極管和電阻器。有必要選擇具有適當尺寸的P-FET，以便它能夠處理施加到模塊輸入的電壓和所需的負載電流。此外，考慮系統的散熱要求很重要，因為FET的功耗等于電流的平方乘以FET的導通電阻。齊納二極管保護MOSFET的柵極氧化物不受過電壓條件引起的操作的影響。大多數P-FET柵極到源極連接可以處理15到20伏的電壓，因此齊納二極管必須在這一點之前設置為箝位。電阻器將柵極下拉到地電平以導通P-FET，但電阻器的大小也必須正確選擇。電阻器的阻抗不應太低，因為如果阻抗太低，過多的電流將通過齊納二極管，這將滋生齊納二極管的功耗問題。然而，如果電阻器的阻抗太大，則P-FET的導通可能不如預期的那樣可靠，并且該方案的想法是降低從漏極到源極的電壓。

上述方案之一或某些方案的組合可能適用于給定的應用。但是，如果輸入電壓實際下降到5V以下，會發生什么？一些制造商正在檢查在冷起動條件下輸入電壓是否會降至4.5伏。三種最常見的開關穩壓器是升壓電源、降壓/升壓電源和單端初級電感轉換器（SEPIC）電源。

圖2：不同升壓電源的拓撲結構

升壓電源使用電感器、N溝道MOSFET（N-FET）、二極管和電容器。它的設計是最簡單的，但也有一些缺點。如果輸出短路，就沒有辦法保護它，因為在輸入和輸出之間有一個直接通道。此外，當輸入電壓上升到輸出電壓設定點以上時，沒有辦法阻止輸出電壓上升，因為輸入電壓只會通過電感器和二極管到達輸出。

例如，汽車中的大多數模塊都必須通過負載卸載測試。該測試產生一個電壓尖峰并將其施加到輸入電壓。在升壓電源中，此電壓尖峰將傳播到輸出端。因此，……

如果40V尖峰沿線路傳播，則連接到輸出電壓的任何電路都必須能夠處理這樣的高電壓。

開關穩壓器的另一種可能選擇是非反相降壓/升壓設計。這種設計只使用一個電感器和一個電容器，但需要兩個開關和兩個二極管。但這種方案確實使設計者能夠避免當輸入電壓上升到輸出電壓以上時輸出電壓上升。它還可以通過斷開第一開關（FET1）來提供輸出短路保護。這種設計的不足之處在于其能量效率，因為需要考慮兩個二極管和兩個開關的損耗。

SEPIC的設計在布線上與直接升壓轉換器非常相似，但不同之處在于這種設計增加了收發器電感和直流阻塞電容器。這種設計的缺點是增加了電感器和電容器，但優點是不再存在與輸出短路有關的任何問題，因為此時DC阻斷電容器與輸出串聯。通過這種方式，輸出不再受到輸入電壓的影響，因此它可以低于或高于輸入電壓。

需要指出的是，盡管上面列出了所有開關拓撲，但仍然需要電池反向保護方案，因為反向電流可能通過FET背面的體二極管從地電平流到輸入電壓。

總之，在啟動/停止交流發電機系統的設計中有許多問題需要考慮。本文只討論了電子模塊的電源問題，但還有其他問題需要解決。例如，當電壓下降時，內部照明和外部照明都將變暗。車內照明的閃爍問題也很煩人，但并不重要，剎車燈和前照燈影響安全，因此電源需要保持這些車的內部/外部照明明亮并持續工作。有利的是，目前市場上有這些問題的解決方案。

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