車(chē)用啟停系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

張紅霞，王洪濤，蔡丹丹，李 威

（東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心 湖北 武漢 430056）

石油價(jià)格不斷攀升、全球氣候環(huán)境不斷惡化，更加突出了汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中節(jié)能環(huán)保技術(shù)是當(dāng)今全球汽車(chē)業(yè)所面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)[1]。同時(shí)，現(xiàn)在城市交通問(wèn)題已經(jīng)成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，堵車(chē)時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)。堵車(chē)時(shí)，汽車(chē)停在原地，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工作，將產(chǎn)生燃油消耗和排放污染[2]。國(guó)內(nèi)外典型市區(qū)工況，怠速油耗（怠速時(shí)間）占總油耗（總行車(chē)時(shí)間）的比例十分可觀。如歐洲城市道路行車(chē)工況（ECE），車(chē)輛平均停車(chē)怠速時(shí)間約占總行車(chē)時(shí)間的28%，怠速油耗約占總油耗的17%[3]。

為了控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗，許多汽車(chē)制造商在下一代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了“自動(dòng)啟?！惫δ埽詣?dòng)啟停功能是：在堵車(chē)和等紅燈時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以自動(dòng)熄火，起步時(shí)再點(diǎn)火，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)怠速空轉(zhuǎn)時(shí)間，減少不必要的燃油消耗，降低排放。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電池電壓特性

這種系統(tǒng)也給汽車(chē)電器設(shè)備的電源設(shè)計(jì)帶來(lái)了一些獨(dú)特的工程技術(shù)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電池電壓可能降至6.0 V或更低，如圖1所示L點(diǎn)。LDO線性穩(wěn)壓器大量應(yīng)用于汽車(chē)電子控制器，它在工作電流、最小輸入輸出壓差、噪聲及封裝等方面的改進(jìn)使其成為增長(zhǎng)最多和最快的產(chǎn)品[4]。LDO線性穩(wěn)壓器只有在輸入電壓大于輸出電壓一定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)才具有保證輸出穩(wěn)定的能力。當(dāng)輸入電壓減小到某一臨界值時(shí)，系統(tǒng)失去對(duì)輸出電壓的調(diào)整能力[5]。

另外，典型的電源模塊都包含有一個(gè)反極性的二極管，用于在汽車(chē)搭線啟動(dòng)又意外將搭線接反時(shí)保護(hù)汽車(chē)電路。這個(gè)二極管會(huì)使電池電壓再降低約0.5 V，因此可供下游電路使用的電壓只有5.5 V甚至更低。由于許多關(guān)鍵模塊（如單片機(jī)，CAN模塊）仍然需要5 V電源供電，因此基本上沒(méi)有了余量，很難保證電路正常工作。

圖1 啟動(dòng)時(shí)電池電壓波形Fig.1 The battery voltagewaveform when cranking the engine

2 一般汽車(chē)電器設(shè)備電源模型

傳統(tǒng)的汽車(chē)電器電源架構(gòu)如下：

圖2 傳統(tǒng)汽車(chē)電源架構(gòu)Fig.2 Traditional auto power architecture

在汽車(chē)自動(dòng)啟停系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的過(guò)程中，上圖中的A點(diǎn)電壓會(huì)低到6 V或更低；在防反接保護(hù)電路中有快反二極管，二極管的壓降在0.5 V左右，所以B點(diǎn)的電壓會(huì)低到5.5 V或更低；而LDO的最小輸入電壓要求是5.5 V；如果小于5.5 V，控制系統(tǒng)得不到穩(wěn)定的5 V電壓，不能正常工作。所以傳統(tǒng)的汽車(chē)電器設(shè)備電源結(jié)構(gòu)不適用于自動(dòng)啟停系統(tǒng)。

3 自動(dòng)啟停系統(tǒng)電源解決方案

3.1 降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源方案

典型的降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源如圖3所示。

圖3 典型的降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源Fig.3 Typical buck switching regulators

該模塊可以實(shí)現(xiàn)反壓保護(hù)、降壓和穩(wěn)壓3個(gè)重要功能，PWM是該電路實(shí)現(xiàn)降壓和穩(wěn)壓的關(guān)鍵模塊，有兩種實(shí)現(xiàn)方法：1）分立器件實(shí)現(xiàn)，比較器、運(yùn)放等器件；2）專用開(kāi)關(guān)電源控制集成 IC，UC3842、NCV8852 等。

該電路優(yōu)點(diǎn)有：電源效率比LDO高；發(fā)熱低；輸入電壓低至5.5 V，電路可以正常工作。但是也有一定的缺點(diǎn)：集成度低；當(dāng)電壓更低（低于5.5 V）時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

3.2 前預(yù)置升壓電源方案

前預(yù)置升壓5 V穩(wěn)壓電源的方案如圖4所示。

圖4 前預(yù)置升壓電源方案Fig.4 Preprocessed boost converter

該方案中采用BOOST升壓電路（如圖4虛線框中所示），在車(chē)輛起動(dòng)的過(guò)程中電源低于設(shè)定值（5.5 V）時(shí)，前預(yù)置BOOST電路起作用，使OUT1點(diǎn)電壓為設(shè)定值，該設(shè)計(jì)值由R1和R2的值來(lái)確定。從而使LDO的輸入滿足輸出OUT2（5 V）的要求。 另外，要特別注意：OUT1的設(shè)定值不應(yīng)過(guò)大，過(guò)大會(huì)使LDO的效率大大降低，從而降低整個(gè)電源的工作效率。該方案中PWM模塊一般采用集成電源控制器IC實(shí)現(xiàn)，LM3478、NCV8871等是常用的開(kāi)關(guān)電源控制IC；D1是防反二極管，D2是BOOST電路的整流二級(jí)管，D1和D2一般采用肖特基二極管，壓降約為0.5 V。

從上面的分析和圖4可知：該電源的最小輸入電壓IN為4 V時(shí)，OUT2的輸出可以達(dá)到5 V。完全可以滿足車(chē)輛自動(dòng)啟停控制系統(tǒng)的要求。

3.3 改進(jìn)型的前預(yù)置升壓電源方案

改進(jìn)型的前預(yù)置升壓5 V穩(wěn)壓電源的方案如圖5所示。

圖5 改進(jìn)型的前預(yù)置升壓電源方案Fig.5 Improved preprocessed boost converter

該方案中在圖4方案的基礎(chǔ)上，加入了前預(yù)置升壓電路的使能控制。在IN的電壓大于5.5 V的情況下，OUT1的電壓會(huì)隨著IN電壓的變化；前預(yù)置升壓電路不需要提高OUT1的電壓；在這種情況下，BOOST電路IC還在正常運(yùn)行，增加系統(tǒng)的功耗。為了降低系統(tǒng)的工作時(shí)的能耗損失，通過(guò)控制單元ECU使BOOST電路進(jìn)入休眠狀態(tài)，或者通過(guò)檢測(cè)電源的方式使BOOST電路進(jìn)入休眠狀態(tài)；大約降低10 mA的損失。通過(guò)這種有效的電源管控，從而提高汽車(chē)啟?？刂葡到y(tǒng)效率，節(jié)省能源。NCV88756等是常用的開(kāi)關(guān)電源控制IC。

4 LDO選型及外圍電路

以上介紹了各電源方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，作為L(zhǎng)DO的輸入解決方案，下面簡(jiǎn)單介紹下具體LDO的選型及其外圍電路。

在選擇LDO時(shí)，需要考慮的基本問(wèn)題包括輸入電壓范圍、預(yù)期輸出電壓、負(fù)載電流范圍以及其封裝的功耗能力。如NCV4275，有輸出為3.3 V及5 V線性穩(wěn)壓芯片，根據(jù)輸入電壓范圍、輸出電壓、輸出電流及精度選擇。NCV4275相關(guān)參數(shù)如下：輸入電壓 5.5～45 V，輸出電壓3.3 V和 5.0 V，輸出電流：450mA，輸出精度：2%。

負(fù)載電流：考慮負(fù)載需要的電流量并據(jù)此選擇LDO。需要注意的是，額定電流為比如150mA的LDO可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)提供高出很多的電流。請(qǐng)查驗(yàn)最低輸出電流限值規(guī)范，或者咨詢有關(guān)廠商。

封裝與功耗：一般來(lái)說(shuō)，封裝尺寸越小，功耗越小。請(qǐng)注意不要超過(guò)封裝的最大功耗額定值。功耗可以采用P=（VIN-VOUT）/（IOUT+IQ） 進(jìn)行計(jì)算。

輸出電容器：典型LDO應(yīng)用需要增加外部輸入和輸出電容器。選擇對(duì)電容器穩(wěn)定性方面沒(méi)有要求的LDO，可以降低尺寸與成本，另外還可以完全消除這些元件。利用較低ESR的大電容器一般可以全面提高PSRR、噪聲以及瞬態(tài)性能。陶瓷電容器通常是首選，因?yàn)樗鼈儍r(jià)格低而且故障模式是斷路，相比之下鉭電容器比較昂貴且其故障模式是短路。為了增強(qiáng)濾波效果，經(jīng)常會(huì)使用大容量的電解電容。

5 結(jié) 論

文中給出了3種自動(dòng)啟停系統(tǒng)電源解決方案，并針對(duì)LDO的選擇做出說(shuō)明，可滿足汽車(chē)電器設(shè)備各種工況下的要求。試驗(yàn)證明在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)期間，電池電壓低于6 V時(shí)，這三種設(shè)計(jì)方案完全可以滿足在該工況汽車(chē)電器設(shè)備主控單元的正常工作。

另外，汽車(chē)中大量使用了電子系統(tǒng)和半導(dǎo)體器件，比如說(shuō)晶體管、微處理器和二極管等[6]。其中，5 V穩(wěn)壓電源大量應(yīng)用于各電路和微處理器中。本文的解決方案除了應(yīng)用于啟停系統(tǒng)，也適用于很多其它的汽車(chē)電子系統(tǒng)。

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[2]魏廣杰，吳瓊，涂安全.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)起停技術(shù)研究及應(yīng)用開(kāi)發(fā)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011（5）:14.WEIGuang-jie，WU Qiong，TU An-quan.Study and application of engine start-stop technique[J].Journal of Xihua University:Natural Science Edition，2011（5）:14.

[3]陳振輝，李聰聰，周?chē)?guó)清，等.微混車(chē)輛ESM起停系統(tǒng)[J].上海汽車(chē)，2011（11）:11.CHEN Zhen-hui，LICong-cong，ZHOU Guo-qing，et al.ESM Start-stop System for Micro-Hybrid Vehicle[J].Shanghai Auto，2011（11）:11.

[4]王興君，屈寶鵬，董紅.LDO中過(guò)溫保護(hù)電路的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006（3）:72.WANG Xing-jun，QU Bao-peng，DONG Hong.Design of thermal protect for LDO[J].Modern Electronics Technique，2006（3）:72.

[5]范東風(fēng).高性能LDO線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)[J].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[6]劉毅言.持續(xù)擴(kuò)展的汽車(chē)電子系統(tǒng)[J].山東機(jī)械，2005（5）:29.LIU Yi-yan.Automobile eletronic system of Expands continuously[J].Shandong Machinery，2005（5）:29.