free性欧美人与牛,国产又粗又硬又大爽黄老大爷视 ,国产成人人妻精品一区二区三区 ,√天堂8资源中文,国产亚洲精品一区二区三区

摘要：  目前高頻高效的DCDC 變換器在汽車(chē)電子系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越多。

關(guān)鍵字：  系統(tǒng)降壓，BUCK變換器，汽車(chē)電子

　　目前高頻高效的DCDC 變換器在汽車(chē)電子系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越多。

　　高的開(kāi)關(guān)頻率可以使用較小的功率電感和輸出濾除電容，從而在整體上減小的系統(tǒng)的尺寸，提高系統(tǒng)的緊湊性，并降低系統(tǒng)的成本;高的工作效率可以提高汽車(chē)電池的使用時(shí)間，降低系統(tǒng)的功率損耗，從而減小系統(tǒng)的發(fā)熱量，優(yōu)化系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

　　但高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)降低系統(tǒng)的工作效率，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須在開(kāi)關(guān)頻率和工作效率之間作一些折衷處理。本文主要針對(duì)DCDC 降壓型BUCK 變換器應(yīng)用于汽車(chē)電子系統(tǒng)時(shí)，探討包括上述問(wèn)題在內(nèi)的一些設(shè)計(jì)技藝和注意事項(xiàng)，而且這些問(wèn)題往往是工程現(xiàn)在設(shè)計(jì)時(shí)容易忽略的細(xì)節(jié)。

　　1 實(shí)際的最小及最大輸入工作電壓

　　1.1 開(kāi)關(guān)頻率

　　開(kāi)關(guān)頻率必須在效率，元件的尺寸，最小的輸入與輸出電壓差，最大輸入電壓之間進(jìn)行折衷處理。高的開(kāi)關(guān)頻率可以減小電感和電容的值，因此可以使用較小體積和尺寸的電感和電容，并降低成本。但高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)降低效率，并降低實(shí)際的最大的工作輸入電壓，以及要求更高的輸入輸出電壓差。

　　最高的開(kāi)關(guān)頻率可以由下式計(jì)算：

　　其中： f S(MAX )為最大的開(kāi)關(guān)頻率，tON(MIN) 為開(kāi)關(guān)管要求的最小的導(dǎo)通時(shí)間， VD 為續(xù)流二極管的正向壓降， VOUT 為輸出電壓， VIN 為正常工作的輸入電壓， VDS (ON ) 為開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降。

　　上式表明： t ON(MIN) 一定時(shí)，低的占空比要求更低的開(kāi)關(guān)頻率才能保證系統(tǒng)安全的操作。同樣的，低的開(kāi)關(guān)頻率允許更低的輸入輸出電壓差。

　　輸入電壓依賴(lài)于開(kāi)關(guān)頻率的主要原因在于PWM控制器的具有最小的開(kāi)通t ON(MIN) 和最小關(guān)斷時(shí)間 t OFF(MIN) 。如果其取值為150ns，也就是說(shuō)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)間至少要持續(xù)150ns ， 低于150ns 可能導(dǎo)致MOSFET無(wú)法正常的開(kāi)啟;同樣的，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)關(guān)斷的時(shí)間至少要持續(xù)150ns，低于150ns可能導(dǎo)致MOSFET無(wú)法正常的關(guān)斷。這意味著最小的占空比和最大的占空比為：

　　上式表明：開(kāi)關(guān)頻率降低時(shí)占空比的范圍增加，優(yōu)化的開(kāi)關(guān)頻率必須保證系統(tǒng)具有足夠的輸入工作電壓范圍，同時(shí)使電感和電容盡量的小。

[#page#]

　　1.2 實(shí)際的最大輸入工作電壓

　　通常芯片的輸入電壓有一定額定的工作電壓范圍，除了額定的工作電壓的限制，實(shí)際的輸入工作電壓還要受到其它一些條件的限制。最小的實(shí)際輸入工作電壓通常由最大的占空比來(lái)決定。BUCK 變換器的占空比為：

　　在輸入電壓最高時(shí)，占空比最小。最大的實(shí)際輸入工作電壓由PWM控制器最小的占空比決定：

　　如果輸出在起動(dòng)或短路的工作條件下，輸入的電壓必須低于以下的計(jì)算結(jié)果：

　　由此可知：低的開(kāi)關(guān)頻率可以在更高的輸入電壓時(shí)安全的操作。最短導(dǎo)通時(shí)間 t ON(MIN) 是每個(gè)控制器能夠接通高端MOSFET的最短持續(xù)時(shí)間。它由內(nèi)部定時(shí)延遲以及接通高端MOSFET所需要的柵極電荷量決定。低占空比的應(yīng)用可以接近該最短導(dǎo)通時(shí)間限制，并應(yīng)注意確保：

　　如果輸出的電壓處于調(diào)節(jié)的狀態(tài)，系統(tǒng)也不是起動(dòng)和短路狀況，輸入電壓大于允許的實(shí)際最大輸入工作電壓，系統(tǒng)仍然可以工作，而與工作頻率無(wú)關(guān)。在這種狀況下，占空比降到最短接通時(shí)間能調(diào)節(jié)的水平以下，控制器將開(kāi)始進(jìn)入跳脈沖工作方式，即一些脈沖將被跳掉以維持輸出電壓的調(diào)節(jié)，此時(shí)輸出的電壓和電流紋波比正常工作狀態(tài)時(shí)輸出的電壓和電流紋波大。

　　通常，當(dāng)峰值檢測(cè)電壓下降時(shí)， 每個(gè)控制器的最短接通時(shí)間將逐步增加，如在輕負(fù)載條件下，最短接通時(shí)間將逐步增加，在具有低紋波電流的強(qiáng)制連續(xù)操作應(yīng)用中這一點(diǎn)特別重要，在這種情況下占空比降至最短接通時(shí)間限制以下，就會(huì)發(fā)生明顯的跳脈沖現(xiàn)象，電流和電壓的紋波會(huì)明顯的的增加。另外，電感的飽和電流通常取輸出電流的1.3倍以上，對(duì)于一些惡劣的工作條件如起動(dòng)和輸出短路以及高的輸入電壓，電感的飽和電流必須取更大的值，以保證系統(tǒng)安全的工作。

　　通常開(kāi)關(guān)頻率是固定，但是一些使用外部電阻設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率的同步BUCK 控制器可以加一個(gè)穩(wěn)壓管Z1 和限流電流R1 實(shí)現(xiàn)在輸入電壓增加時(shí)，降低開(kāi)關(guān)頻率，從而擴(kuò)大輸入電壓的范圍，如圖1 所示。

　　圖1：高輸入電壓時(shí)降頻工作電路

　　這個(gè)電路帶來(lái)的問(wèn)題時(shí)，在高輸入電壓時(shí)，由于頻率降低，而電感值又一定，所以輸出的電流和電壓紋波增加。頻率在較寬的范圍內(nèi)變化，電感無(wú)法優(yōu)化的工作，環(huán)路的補(bǔ)償無(wú)法優(yōu)化。通過(guò)增加穩(wěn)壓管Z2 和限流電流R2 來(lái)設(shè)定系統(tǒng)的最低工作頻率，從而限制頻率變化的范圍。

　　1.3 實(shí)際的最小的輸入工作電壓

　　在輸入電壓最低時(shí)，占空比最大。使用同步BUCK 控制器，最小的實(shí)際輸入工作電壓由PWM 控制器最大的占空比決定：

　　最小工作電壓與最小關(guān)斷時(shí)間 t OFF(MIN) 的關(guān)系為：

　　由上式可知： t OFF(MIN)一定時(shí)，高的開(kāi)關(guān)頻率將增加實(shí)際的最小的輸入工作電壓。若要更低的輸入工作的電壓，可以使用低的開(kāi)關(guān)頻率。在一些同步BUCK 控制器中，當(dāng)輸入和輸出的壓差降低到一定的值時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入占空比為100%的全導(dǎo)通或LDO 控制方式。

[#page#]

　　2 瞬態(tài)最大峰值輸入電壓

　　隨著電池供電設(shè)備越來(lái)越多進(jìn)入移動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域，人們使用汽車(chē)的點(diǎn)煙器接通電源以使電池組在汽車(chē)行駛期間儲(chǔ)存電能甚至再充電。但接通前，注意：在接通到極惡劣的電源上，汽車(chē)內(nèi)的主電源電纜產(chǎn)生一些潛在的瞬變，包括負(fù)載突降及電壓電壓倍增。負(fù)載突降是電池電纜松動(dòng)的結(jié)果。當(dāng)電纜連接中斷時(shí)，交流發(fā)電機(jī)中的磁場(chǎng)會(huì)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高達(dá)60V 的正尖峰電壓，它能在幾百毫秒中衰變。電池電壓倍增是24V跳躍式起動(dòng)時(shí)性能比12V 更快讓冷車(chē)發(fā)動(dòng)的結(jié)果。

　　圖2 是保護(hù)DCDC 轉(zhuǎn)換器不受汽車(chē)電源線(xiàn)損壞的最簡(jiǎn)單直接的方法。

　　瞬態(tài)抑制器在負(fù)載突降期間對(duì)輸入電壓進(jìn)行箝位。注意：瞬態(tài)抑制器不應(yīng)在雙倍電池電壓操作時(shí)導(dǎo)通，但仍必須將輸入電壓箝位在轉(zhuǎn)換器的擊穿電壓之下。

　　圖2：輸入TVS 保護(hù)電路

　　陶瓷電容的尺寸小，阻抗低，工作的溫度范圍寬，很適合應(yīng)用汽車(chē)電子中BUCK 變換器的輸入端旁路電容。但是在BUCK 變換器的輸入端插入工作的電源時(shí)，即熱插入，如汽車(chē)的點(diǎn)煙器，這些陶瓷電容會(huì)產(chǎn)生應(yīng)用的問(wèn)題：低損耗的陶瓷電容與連接線(xiàn)的雜散電感由低阻抗的電源形成欠阻尼諧振環(huán)，產(chǎn)生振蕩，在BUCK 變換器的輸入端產(chǎn)生二倍的輸入電源電壓的尖峰，從而超過(guò)BUCK 變換器的輸入端允許的額定電壓，損壞器件。在這種工作條件下，必須設(shè)計(jì)輸入的吸收網(wǎng)絡(luò)阻止輸入電壓的過(guò)沖尖峰。下面的的波形展示了BUCK 變換器由一根6 英尺的雙絞線(xiàn)連接到24V 電源時(shí)的波形。圖3 是輸入僅加4.7uF 陶瓷電容的響應(yīng)。輸入電壓的振鈴的峰值為50V，輸入電流的峰值為26A。

　　圖3：輸入僅加4.7uF陶瓷電容的響應(yīng)

　　使用阻尼振蕩可以降低峰值的電壓，形成阻尼振蕩有二個(gè)方法：①輸入的陶瓷電容增加一個(gè)串聯(lián)電阻;②使用電解電容。鋁電解電容有高的ESR，可以形成阻尼，減小振蕩的過(guò)沖;其電容可以濾除低頻的紋波，此外，對(duì)系統(tǒng)的效率稍有提高。只是其體積相對(duì)較大。圖4為一個(gè)22uF的電解電容和一個(gè)4.7uF的陶瓷電容并聯(lián)加在輸入端時(shí)的響應(yīng)，陶瓷電容濾除高頻紋波。輸入電壓的峰值明顯降低。

　　圖4：輸入為22uF電解電容并聯(lián)4.7uF陶瓷電容的響應(yīng)

　　在輸入端加一個(gè)0.7歐姆的串聯(lián)電阻也可以減小電壓過(guò)沖，同時(shí)減小峰值的電流，0.1uF小的陶瓷電容濾除高頻紋波。如圖5(a)所示。

　　與電解電容方法相比，這種方法體積小成本低，在高的輸入電壓時(shí)對(duì)系統(tǒng)的效率影響并不大。但輸入電壓相對(duì)較低時(shí)，系統(tǒng)的效率略有降低。

　　(a)

　　(b)

　　圖5：輸入加串聯(lián)電阻的響應(yīng)

[#page#]

　　3 散熱設(shè)計(jì)

　　功率MOSFET 選擇標(biāo)準(zhǔn)中包含導(dǎo)通電阻 R DS (ON ) ，密勒電容C MILLER ，輸入電壓和最大電壓和最大輸出電流。CMILLER 可由MOSFET 的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手則給出的柵極充電曲線(xiàn)近似求出。C MILLER 等于柵極電荷沿橫軸的增加，而曲線(xiàn)大約由VDS 的規(guī)定變化水平分割，然后由此結(jié)果與應(yīng)用中施加的VDS 和柵極的充電曲線(xiàn)規(guī)定VDS 比值相乘。工作CCM 時(shí)高端和低端的MOSFET 占空經(jīng)由下式給出：

　　主開(kāi)關(guān)管占空比：D = VOUT /VIN。

　　同步開(kāi)關(guān)管占空比：V IN -VOUT /VIN 。

　　最大輸出電流條件下MOSFET 的功耗由下式給出：

　　式中：δ是R DS (ON ) 的溫度系數(shù)， R DR約為4 歐姆，是在MOSFET 密勒門(mén)限電壓條件下有效驅(qū)動(dòng)電阻， V THMIN是典型的MOSFET 的最小門(mén)限電壓。

　　兩個(gè)MOSFET 均具有I2R 損耗，而高端N 溝道的公式中包含一個(gè)用于計(jì)算轉(zhuǎn)換損耗的附加項(xiàng)，這在高輸入電壓條件最大。當(dāng)VIN<20V時(shí)采用較大的MOSFET 通?？商岣叽箅娏鞯男剩?dāng)VIN>20V 時(shí)轉(zhuǎn)換損耗迅速增加。這時(shí)采用具有較高 R DS (ON )器件和較低 C MILLER實(shí)際上可提供更高的效率。同步MOSFET 在高輸入電壓下，當(dāng)高端工作于低占空比時(shí)或短路期間，同步管接近100%時(shí)間里處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，此時(shí)損耗最大。1+δ 項(xiàng)通常以一個(gè)歸一化的 R DS (ON ) 與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)形式提供給MOSFET，但對(duì)于低壓MOSFET，δ =0.005/℃可被用作一個(gè)近似值。

　　肖特基二極管在兩個(gè)功率MOSFET 導(dǎo)通期間的死區(qū)導(dǎo)通，可以防止低端MOSFET 的體內(nèi)二極管導(dǎo)通，在死區(qū)時(shí)間儲(chǔ)存電荷，形成反向恢復(fù)。在高VIN 條件下會(huì)導(dǎo)致效率減小至少3%。由于流過(guò)的平均電流相對(duì)較小，因此采用1 或3A 的肖特基二極管是一個(gè)較好的方案。

　　較大的二極管因其具有的結(jié)電容較大故會(huì)產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)換損耗。

　　效率與芯片的最高工作溫度相關(guān)。汽車(chē)電子所用的芯片通常為I或H級(jí)，對(duì)于I級(jí)，芯片的結(jié)溫必須小于125°C，對(duì)于H級(jí)，芯片的結(jié)溫必須小于150°C。對(duì)于許多單芯片的BUCK控制器，在低的環(huán)境溫度下，結(jié)溫一般不是問(wèn)題。但對(duì)于I級(jí)，環(huán)境溫度高于85°C時(shí)，必須小心仔細(xì)的進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)以保證芯片能夠充分的散熱。對(duì)于H級(jí)，環(huán)境溫度高于125°C時(shí)，必須對(duì)最大的允許工作電流進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。

　　結(jié)溫通過(guò)芯片的功率損耗乘以結(jié)到環(huán)境的熱阻Rja進(jìn)行計(jì)算。滿(mǎn)載時(shí)芯片的溫升幾乎完全不依賴(lài)于輸入電壓，不加散熱器時(shí)，熱阻取決于PCB的設(shè)計(jì)。在單芯片底部通常有一個(gè)裸露的襯墊，因此設(shè)計(jì)PCB時(shí)必須在對(duì)應(yīng)的位置也相應(yīng)的制作這樣的一個(gè)大銅皮焊盤(pán)，同時(shí)這個(gè)大焊盤(pán)通過(guò)一些過(guò)孔連接到其它的地層平面，以利于散熱。

[#page#]

　　4 輸入短路和反接保護(hù)

　　如果電感的飽和電流足夠大，BUCK控制器短路時(shí)由于具有短路保護(hù)功能，因此不會(huì)產(chǎn)生損壞。在一些電池充電系統(tǒng)中以及用電池作備份的系統(tǒng)中，電池以及其它的一些電源通過(guò)二極管以“與”的形式一起共同連接到BUCK控制器的輸出端時(shí)，當(dāng)BUCK控制器輸入端斷開(kāi)時(shí)，輸出端仍有高的電壓。注意到BUCK控制器通常有一個(gè)/SHDN管腳到控制系統(tǒng)的工作與關(guān)斷，低電平有效，通常以作SS軟起動(dòng)功能。一般此管腳通過(guò)一個(gè)電阻或直接連接到輸入端。當(dāng)輸入端浮空時(shí)，輸出電壓通過(guò)電感，內(nèi)部高端的MOSFET反向并聯(lián)寄生二極管到輸入端，/SHDN管腳為高電平，這樣，BUCK控制器內(nèi)部的電路通過(guò)電感從輸出電壓吸取幾個(gè)毫安的靜態(tài)的工作電流，影響電池的使用時(shí)間。當(dāng)然如果/SHDN管腳為低電平，則此靜態(tài)的工作電流為0。如果輸入短路，輸出電壓通過(guò)電感，內(nèi)部高端的MOSFET反向并聯(lián)寄生二極管到輸入端，從而導(dǎo)致輸出電壓也短路，這樣電池將會(huì)快速的放電。下圖就是防止電池在輸入短路狀況下反向放電的保護(hù)電路，D4也防止輸入的反接，只有在有輸入電壓里系統(tǒng)才工作。

　　圖6：防止輸入短路時(shí)輸出備份電池反向放電電路

　　結(jié)論

　　1 合適的開(kāi)關(guān)頻率可以保證系統(tǒng)具有足夠的輸入工作電壓范圍，同時(shí)使電感和電容的尺寸和體積最小。

　　2 實(shí)際最大的輸入工作電壓由MOSFET所要求的最短導(dǎo)通時(shí)間決定，實(shí)際最小的輸入工作電壓由MOSFET所要求的最短關(guān)斷時(shí)間決定。

　　3 必須抑制輸入瞬態(tài)電壓，檢查散熱設(shè)計(jì)，增加輸入短路和反接保護(hù)電路才能保證系統(tǒng)的安全工作。