束驍驊

（上汽大眾汽車(chē)有限公司，上海 201805）

隨著家用汽車(chē)的普及，汽車(chē)投放量的逐年增加，汽車(chē)尾氣逐漸成為影響大氣污染的主要因素，因此控制汽車(chē)油耗以降低尾氣排放成了當(dāng)今世界各大汽車(chē)廠的一項(xiàng)重要研究課題。帶有啟停功能的汽車(chē)因具有一定的節(jié)油能力，且開(kāi)發(fā)成本較低，成了當(dāng)前流行的汽車(chē)節(jié)油解決方案。車(chē)載啟停穩(wěn)壓器用于汽車(chē)啟停功能的電壓穩(wěn)定，給需要穩(wěn)定電壓的用電器提供輸入電源，使得用電器在汽車(chē)啟停過(guò)程中穩(wěn)定工作，滿足用戶對(duì)于車(chē)載顯示終端在車(chē)輛啟動(dòng)過(guò)程中不允許屏幕閃動(dòng)的使用品質(zhì)和舒適度的要求。車(chē)載啟停穩(wěn)壓器不僅給用戶帶來(lái)良好的駕駛體驗(yàn)，而且保護(hù)車(chē)載顯示終端免受電壓突降的沖擊。車(chē)載啟停穩(wěn)壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于無(wú)機(jī)械噪聲、效率提升和提供安全冗余可靠性設(shè)計(jì)，且易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高、成本低。

1 傳統(tǒng)車(chē)載啟停穩(wěn)壓器電路設(shè)計(jì)

車(chē)輛在啟動(dòng)過(guò)程中，電池電壓驟降，車(chē)載電子產(chǎn)品都要經(jīng)過(guò)由于汽車(chē)啟動(dòng)、電池電壓驟降帶來(lái)的負(fù)載沖擊電流。車(chē)載啟停穩(wěn)壓器的作用是在汽車(chē)啟動(dòng)過(guò)程中穩(wěn)定輸出電壓，給必須要穩(wěn)定電壓的用電器供電，讓其工作不受汽車(chē)啟動(dòng)帶來(lái)的電壓波動(dòng)的影響。

傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源Boost電路采用肖特基二極管整流方式，當(dāng)電池電壓下降到6V時(shí)，如果負(fù)載功率過(guò)大 （200W），電池端的沖擊電流將達(dá)到40A以上，此時(shí)肖特基元件整流最大30A可以勉強(qiáng)支撐幾秒短時(shí)間的穩(wěn)壓輸出，之后輸出模式切換到旁路模式供電，但如果旁路模式處于失效狀態(tài) （開(kāi)路），此時(shí)供電回路由Boost模塊繼續(xù)供電，負(fù)載電流經(jīng)肖特基元件供到負(fù)載端使用；但當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間大功率電流經(jīng)過(guò)肖特基后，由于肖特基的壓降大，功率損耗大，發(fā)熱量大，故易導(dǎo)致肖特基元件擊穿開(kāi)路，此時(shí)負(fù)載端無(wú)電壓供電，車(chē)輛負(fù)載設(shè)備將不能工作，如果穩(wěn)壓器在車(chē)輛上供電于ECU等車(chē)輛控制模塊，出現(xiàn)上述狀況后，ECU無(wú)法供電會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛不能行駛，影響用戶的使用，車(chē)輛出現(xiàn)安全隱患，嚴(yán)重時(shí)在高速行駛會(huì)影響人身安全。

鑒于以上問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)中急需要一種可以有效地防止車(chē)輛配有啟停穩(wěn)壓器產(chǎn)品功能的安全冗余可靠性設(shè)計(jì)，既能滿足穩(wěn)定汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)電池電壓的波動(dòng)，同時(shí)也能滿足由Boost回路給負(fù)載的電路長(zhǎng)期供電的功能，而不會(huì)導(dǎo)致電子元器件損壞，影響車(chē)輛行駛功能，而且電路易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高且成本低的啟停穩(wěn)壓電路。

2 車(chē)載啟停穩(wěn)壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)

車(chē)載穩(wěn)壓電源從汽車(chē)蓄電池取電，先進(jìn)行EMC電磁濾波，然后對(duì)輸入沖擊電壓進(jìn)行前級(jí)防護(hù)，最終得到干凈的輸入電壓。輸入電壓進(jìn)行升壓變換，經(jīng)過(guò)同步整流后，進(jìn)行濾波，得到穩(wěn)定的輸出電壓經(jīng)輸出保護(hù)模塊至負(fù)載。車(chē)載穩(wěn)壓電源由前級(jí)保護(hù)電路、DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊以及電源輸出保護(hù)電路組成。

1）前級(jí)電路包含了抗瞬態(tài)電壓干擾電路和防止電源正負(fù)極反接電路［1］。

①抗瞬態(tài)電壓干擾電路：通過(guò)前級(jí)瞬態(tài)抑制TVS二極管過(guò)濾高壓毛刺，消除外部干擾源的影響。瞬態(tài)的大電壓輸入能量被TVS二極管轉(zhuǎn)化為熱量吸收，從而起到抗瞬態(tài)電壓干擾的保護(hù)作用。TVS二極管是一種高效的電路保護(hù)器件，在規(guī)定的反向應(yīng)用環(huán)境條件下，承受一個(gè)高能量的瞬時(shí)過(guò)壓脈沖時(shí)，其工作阻抗可立即降至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過(guò)，并將電壓鉗制在預(yù)定水平，從而有效地避免電子線路中的精密元器件受到損壞。TVS二極管與常見(jiàn)的穩(wěn)壓二極管的工作原理類(lèi)似，如果高于標(biāo)志上的擊穿電壓，TVS二極管就會(huì)導(dǎo)通；與穩(wěn)壓二極管相比，TVS二極管具有更高的電流導(dǎo)通能力［2］。

②防止電源正負(fù)極反接電路：防止電源正負(fù)極反接電路采用線性穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)，避免電源反接無(wú)操作造成的破壞。線性穩(wěn)壓電路的工作原理是對(duì)輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并以采樣電壓進(jìn)行負(fù)反饋，來(lái)調(diào)節(jié)輸出管的動(dòng)態(tài)電阻和壓降而使輸出電壓保持穩(wěn)定。輸入電壓下降或負(fù)載電流增大而使輸出電壓產(chǎn)生下跌，這時(shí)候穩(wěn)壓電路就會(huì)通過(guò)上述的一系列動(dòng)作（采樣、調(diào)整、負(fù)反饋）使輸出管的電阻減小，可使管壓降也減少?gòu)亩诤艽蟪潭壬系窒耸馆敵鲭妷合陆档哪切┮蛩氐挠绊?，確保輸出電壓基本穩(wěn)定。

2）本項(xiàng)目產(chǎn)品的DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊采用寬壓電源輸入的DC-DC模塊，適應(yīng)寬幅電源輸入，DC-DC模塊內(nèi)置輸入濾波器電路，以確保輸入電源電壓的穩(wěn)定性［3-4］。

3）本項(xiàng)目產(chǎn)品的電源輸出保護(hù)電路在發(fā)生電源輸出負(fù)載短路時(shí)采用PTC熱敏電阻進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。PTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，當(dāng)超過(guò)一定的溫度時(shí)，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高［5］。

本項(xiàng)目產(chǎn)品的內(nèi)部電路主要由穩(wěn)壓電路、旁路電路和控制電路3個(gè)電路模塊構(gòu)成?？刂齐娐返腗CU通過(guò)控制信號(hào)來(lái)控制兩組電路 （旁路/穩(wěn)壓電路）在車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下，快速進(jìn)行工作模式的自動(dòng)切換，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能：其中穩(wěn)壓電路工作在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中；車(chē)輛啟動(dòng)后，自動(dòng)關(guān)閉穩(wěn)壓功能，切換為旁路電路工作，使12V蓄電池電壓與用電器旁路直通。總電路原理框圖如圖1所示。

圖1 總電路原理框圖

3 本項(xiàng)目產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 旁路電路方案與傳統(tǒng)方案對(duì)比

啟停穩(wěn)壓器產(chǎn)品旁路電路的傳統(tǒng)方案采用繼電器，在進(jìn)行穩(wěn)壓工作時(shí)，繼電器的觸點(diǎn)切換會(huì)產(chǎn)生無(wú)法消除的機(jī)械噪聲問(wèn)題。

另外，繼電器作為機(jī)械開(kāi)關(guān)，受各方面因素制約：①開(kāi)關(guān)速度慢：最大時(shí)間在ms級(jí)；②開(kāi)關(guān)次數(shù)受限制：壽命短，一般只能滿足10萬(wàn)次；③觸點(diǎn)阻抗大，同時(shí)驅(qū)動(dòng)線圈也有較大功耗，導(dǎo)致旁路時(shí)空載電流大，旁路效率較低。

本項(xiàng)目產(chǎn)品采用新型的MOS管方案，MOS管作為電子開(kāi)關(guān)相比繼電器方案，優(yōu)勢(shì)明顯，對(duì)比如下。

1）開(kāi)關(guān)速度快：開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間約在ns級(jí)，實(shí)現(xiàn)快速控制。

2）耐壓和耐流滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，開(kāi)關(guān)次數(shù)不受限制。

3）內(nèi)阻低，損耗小，旁路效率高。

3.2 穩(wěn)壓電路整流電路與傳統(tǒng)方案對(duì)比

啟停穩(wěn)壓器產(chǎn)品穩(wěn)壓電路選用Boost電源拓?fù)?，整流電路的傳統(tǒng)方案采用普通二極管整流，當(dāng)輸出電流較大時(shí)，由于二極管存在約0.7V的正向?qū)▔航?，流過(guò)較大電流時(shí)將會(huì)產(chǎn)生較高的功率損耗，大大降低穩(wěn)壓電路的整體轉(zhuǎn)換效率。

本項(xiàng)目產(chǎn)品采用新型的MOS管同步整流方案，由于MOS管內(nèi)阻極低，大電流導(dǎo)致的功率損耗很小，比傳統(tǒng)二極管方案可將效率提升至少5%。

4 主要技術(shù)指標(biāo)

1）工作電壓范圍：6～16V DC。

2）穩(wěn)壓輸出電壓：12V DC±0.5。

3）額定輸出功率：16.7A（約200W）。

4）保護(hù)方式：輸入電壓欠壓、過(guò)壓，極性反接保護(hù)；輸出過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)；過(guò)溫保護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本車(chē)載啟停穩(wěn)壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)在旁路電路設(shè)計(jì)上采用功率MOSFET的方案，在進(jìn)行旁路和穩(wěn)壓電路切換時(shí)，功率MOS管方案在電路切換時(shí)不會(huì)有任何機(jī)械噪聲，給客戶帶來(lái)更舒適的駕駛體驗(yàn)；在主電路的整流電路設(shè)計(jì)方案上，采用功率MOS管的同步整流方案，大電流所產(chǎn)生的硬損耗幾乎可以忽略不計(jì)，使產(chǎn)品的總體轉(zhuǎn)換效率至少可以提高約5%，且在旁路電路損壞的情況下，還可以替代旁路長(zhǎng)期供電，而不會(huì)導(dǎo)致電子元器件損壞，從而延長(zhǎng)了零件的使用壽命和減少故障率。