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轿车电子体系降压型BUCK变换器的规划技巧

 目前高频高效的DCDC 变换器在汽车电子系统中的应用越来越多。高的开关频率可以使用较小的功率电感和输出滤除电容,从而在整体上减小的系统的尺寸,提高系统的紧凑性,并降低系统的成本;高的工作效率可以

 现在高频高效的DCDC 变换器轿车电子体系中的运用越来越多。

  高的开关频率能够运用较小的功率电感和输出滤除电容,然后在全体上减小的体系的尺度,进步体系的紧凑性,并下降体系的本钱;高的作业功率能够进步轿车电池的运用时刻,下降体系的功率损耗,然后减小体系的发热量,优化体系的热规划,并进一步进步体系的可靠性。

  但高的开关频率会下降体系的作业功率,因而在规划时有必要在开关频率和作业功率之间作一些折衷处理。本文首要针对DCDC 降压型BUCK 变换器运用于轿车电子体系时,讨论包含上述问题在内的一些规划技艺和留意事项,并且这些问题往往是工程现在规划时简略疏忽的细节。

  1 实践的最小及最大输入作业电压

  1.1 开关频率

  开关频率有必要在功率,元件的尺度,最小的输入与输出电压差,最大输入电压之间进行折衷处理。高的开关频率能够减小电感和电容的值,因而能够运用较小体积和尺度的电感和电容,并下降本钱。但高的开关频率会下降功率,并下降实践的最大的作业输入电压,以及要求更高的输入输出电压差。

  最高的开关频率能够由下式核算:

  其间:fSMAX 为最大的开关频率,tONMIN为开关管要求的最小的导通时刻, VD 为续流二极管的正向压降, VOUT 为输出电压, VIN 为正常作业的输入电压,VDS ON 为开关管的导通压降。

  上式标明:t ONMIN 一守时,低的占空比要求更低的开关频率才干确保体系安全的操作。相同的,低的开关频率答应更低的输入输出电压差。

  输入电压依赖于开关频率的首要原因在于PWM操控器的具有最小的注册t ONMIN 和最小关断时刻t OFFMIN 。假如其取值为150ns,也就是说开关管注册时导通时刻至少要继续150ns , 低于150ns 或许导致MOSFET无法正常的敞开;相同的,开关管关断时关断的时刻至少要继续150ns,低于150ns或许导致MOSFET无法正常的关断。这意味着最小的占空比和最大的占空比为:

  上式标明:开关频率下降时占空比的规模添加,优化的开关频率有必要确保体系具有满足的输入作业电压规模,一起使电感和%&&&&&%尽量的小。

  1.2 实践的最大输入作业电压

  一般芯片的输入电压有必定额外的作业电压规模,除了额外的作业电压的约束,实践的输入作业电压还要遭到其它一些条件的约束。最小的实践输入作业电压一般由最大的占空比来决议。BUCK 变换器的占空比为:

  在输入电压最高时,占空比最小。最大的实践输入作业电压由PWM操控器最小的占空比决议:

  假如输出在起动或短路的作业条件下,输入的电压有必要低于以下的核算成果:

  由此可知:低的开关频率能够在更高的输入电压时安全的操作。最短导通时刻t ONMIN 是每个操控器能够接通高端MOSFET的最短继续时刻。它由内部守时推迟以及接通高端MOSFET所需求的栅极电荷量决议。低占空比的运用能够挨近该最短导通时刻约束,并应留意确保:

  假如输出的电压处于调理的情况,体系也不是起动和短路情况,输入电压大于答应的实践最大输入作业电压,体系依然能够作业,而与作业频率无关。在这种情况下,占空比降到最短接通时刻能调理的水平以下,操控器将开端进入跳脉冲作业办法,即一些脉冲将被跳掉以保持输出电压的调理,此刻输出的电压和电流纹波比正常作业情况时输出的电压和电流纹波大。

  一般,当峰值检测电压下降时, 每个操控器的最短接通时刻将逐渐添加,如在轻负载条件下,最短接通时刻将逐渐添加,在具有低纹波电流的强制接连操作运用中这一点特别重要,在这种情况下占空比降至最短接通时刻约束以下,就会发生显着的跳脉冲现象,电流和电压的纹波会显着的的添加。别的,电感的饱和电流一般取输出电流的1.3倍以上,关于一些恶劣的作业条件如起动和输出短路以及高的输入电压,电感的饱和电流有必要取更大的值,以确保体系安全的作业。

一般开关频率是固定,可是一些运用外部电阻设置开关频率的同步BUCK 操控器能够加一个稳压管Z1 和限流电流R1 实现在输入电压添加时,下降开关频率,然后扩展输入电压的规模,如图1 所示。

图1:高输入电压时降频作业电路

图1:高输入电压时降频作业电路

  这个电路带来的问题时,在高输入电压时,因为频率下降,而电感值又必定,所以输出的电流和电压纹波添加。频率在较宽的规模内改变,电感无法优化的作业,环路的补偿无法优化。经过添加稳压管Z2 和限流电流R2 来设定体系的最低作业频率,然后约束频率改变的规模。

  1.3 实践的最小的输入作业电压

  在输入电压最低时,占空比最大。运用同步BUCK 操控器,最小的实践输入作业电压由PWM 操控器最大的占空比决议:

  最小作业电压与最小关断时刻t OFFMIN 的关系为:

  由上式可知:t OFFMIN一守时,高的开关频率将添加实践的最小的输入作业电压。若要更低的输入作业的电压,能够运用低的开关频率。在一些同步BUCK 操控器中,当输入和输出的压差下降到必定的值时,体系将进入占空比为100%的全导通或LDO 操控办法。

  2瞬态最大峰值输入电压

  跟着电池供电设备越来越多进入移动运用领域,人们运用轿车的点烟器接通电源以使电池组在轿车行进期间贮存电能乃至再充电。但接通前,留意:在接通到极恶劣的电源上,轿车内的主电源电缆发生一些潜在的瞬变,包含负载突降及电压电压倍增。负载突降是电池电缆松动的成果。当电缆衔接中止时,沟通发电机中的磁场会会发生一个高达60V 的正尖峰电压,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 更快让冷车发起的成果。

  图2 是维护DCDC 转换器不受轿车电源线损坏的最简略直接的办法。

  瞬态抑制器在负载突降期间对输入电压进行箝位。留意:瞬态抑制器不应在双倍电池电压操作时导通,但仍有必要将输入电压箝位在转换器的击穿电压之下。

图2:输入TVS 维护电路

图2:输入TVS 维护电路

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