汽車啟動（停止）系統(tǒng)電源方案

周勇鹍

（襄陽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 襄陽 441021）

啟停技術(shù)為汽車電子帶來了一些獨特的工程挑戰(zhàn)，因為當(dāng)發(fā)動機重新啟動時，電池電壓可能降到6.0 V甚至更低。此外，典型電子模塊包含反極性二極管，用以在汽車跳接啟動而跳接線纜反向的事件中保護電子電路。二極管導(dǎo)致電池電壓又下降0.7 V，使下游電路的電壓僅為5.3 V或更低。由于許多模塊仍要求5 V供電，此時電源就沒有足夠的余量來恰當(dāng)工作。如何解決此類問題呢？

1 采用升壓電源

升壓電源接受較低得輸入電壓，并在輸出端產(chǎn)生較高的電壓。將審視設(shè)計人員可用于這些啟動/停止系統(tǒng)的不同方案，包括低壓降（LDO）穩(wěn)壓器、電池反向保護方案，以及各種升壓選擇。如果電池電壓在輸入端僅降至6 V，那么，首選及最簡單的方案就是探尋僅要求＜0.3 V余量的極低壓降線性穩(wěn)壓器。這種方案適用于電流要求較低的模塊，但對于需要更大電流的模塊而言，設(shè)計人員就需要更多的選擇了。

2 以肖特基二極管或P溝道MOSFET替代電池反向保護的標(biāo)準二極管

肖特基二極管的正向壓降約為標(biāo)準整流器的一半，因此，它增添了零點幾伏的電壓余量。改用肖特基二極管足夠簡單直接，但P溝道MOSFET（簡稱P-FET）要求變更PCB，還要求一些額外電路。

圖1顯示了要求使用的3個元件，包括P-FET、齊納二極管及電阻。需要選擇恰當(dāng)大小的P-FET，使其可以處理施加在模塊輸入端的電壓，以及所要求的負載電流。此外，顧及系統(tǒng)散熱要求很重要，因為FET的功率耗散等于電流的平方乘以FET的導(dǎo)通電阻。齊納二極管保護MOSFET的柵極氧化物免受由過壓條件導(dǎo)致的操作。大多數(shù)P-FET的柵極至源極連接能夠處理15～20 V電壓，故齊納二極管必須設(shè)定為在此點之前鉗位。電阻將柵極下拉至地電平以導(dǎo)通P-FET，但也必須恰當(dāng)選擇電阻的大小。電阻的阻抗不能太低，因為阻抗太低的情況下會讓過大電流渡過齊納二極管，因而滋生齊納二極管的功率耗散問題。然而，如果電阻的阻抗太大，在此情況下P-FET的導(dǎo)通可能不會如所傾向般牢靠，而這方案的構(gòu)思是希望降低由漏極至源極兩端的電壓。

圖1 采用P溝道MOSFET提供電池反向保護

但如果輸入電壓實際降到5 V以下，會發(fā)生什么情況？某些制造商在審視冷車啟動（cold cranking）條件下輸入電壓會否降至4.5 V。三種最常見的開關(guān)穩(wěn)壓器就是升壓電壓電源、降壓/升壓電源以及單端初級電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）電源。

圖2 不同升壓電源拓撲結(jié)構(gòu)

升壓電源使用1個電感、1個N溝道MOSFET（即NFET）、1個二極管及1個電容。它的設(shè)計最簡單，但也有一些缺點。如果輸出短路，就沒有辦法來保護它，因為輸入與輸出之間存在直接通道。此外，當(dāng)輸入電壓上升至高于輸出電壓設(shè)定點時，就沒有辦法來避免輸出電壓也上升，因為輸入電壓會恰好經(jīng)過電感和二極管，到達輸出 。

另一種可能的開關(guān)穩(wěn)壓器選擇就是非反向（noninverting）降壓/升壓設(shè)計。此設(shè)計僅使用1個電感和1個電容，但要求使用2個開關(guān)和2個二極管。但此方案確實使設(shè)計人員能夠在輸入電壓升高至高于輸出電壓時避免輸出電壓上升。它還能夠使用第一個開關(guān)（FET1）開路來提供輸出短路保護。此設(shè)計的不足就在于其能效。

3 結(jié)語

在啟動/停止交流發(fā)電機系統(tǒng)設(shè)計方面，要顧及的問題有很多。本文僅探討了電子模塊的電源問題，但也還有其它問題需要予以應(yīng)對。內(nèi)部照明閃爍問題也很惱人卻又并非至關(guān)重要，而剎車燈及前照燈影響安全性，因此電源需要使這些汽車內(nèi)/外照明維持亮度并持續(xù)工作。有利的是，如今市場上有解決這些問題的方案。