探索汽車冷啟動5V，5W至15W電源的預升壓的實現方式

汽車制造商們希望在越來越多的新車型中配備自動啟停功能。但是，該功能對汽車電子設計提出了挑戰，因為在寒冷的天氣中啟動電機會使電池電壓降至3V，這被稱為“冷啟動（Cold Crank）”。

大多數12V汽車系統的功率級都由一個降壓變換器組成，這個變換器通常將輸出電壓調節至5V或3.3V。即使調節器以低壓差模式開始工作，大多數電路也會受到輸入電壓跌落的影響，并且可能會停止工作。

本文以典型的5V，5W至15W電源為例，討論預升壓如何完美地解決該問題。

預升壓的實現方式

在這個示例中，我們的目標是，不管輸入電壓如何變化，都將功率級的輸出電壓保持在恒定水平。此同時要記住，冷啟動只會在總工作時長的很小一段時間內影響系統，這意味著好的解決方案需要綜合考慮成本，效率和EMI。

圖1：MPS預升壓演示板對冷啟動電壓瞬變的響應（測試條件：VO= 5V, IO= 1.5A）

預升壓電路是個升壓變換器，它串聯在降壓變換器之前。顧名思義，當降壓變換器的輸入電壓降低到設定值以下，預升壓電路工作，將其輸入電壓維持在設定值。這樣，降壓變換器就可以具有穩定的輸入電壓，并可以將其輸出正確地調節到恒定的水平，而與電池電壓的瞬變無關。 圖1 顯示出，帶預升壓時，系統的輸出電壓不受輸入軌擾動的影響。

這種設計的優點在于，在汽車應用中會使用的輸入差模濾波電感和防反二極管可以復用作預升壓電路的功率電感和續流二極管，這樣無需增加額外的元件和電路板空間，有助于節省成本，同時也不影響效率和EMI性能。

圖2 顯示了典型的降壓變換器電路。在此電路中，D1二極管用于保護系統免受反極性電池連接的影響。C1、C2和L1形成用于抑制傳導EMI的π（pi）型濾波器。C3是濾波器和變換器之間的阻尼電容器。 C4、C5、L2和降壓IC構成降壓變換器本身。

圖2：汽車降壓變換器電路簡圖

重新布置一些組件，并添加一個異步升壓變換器和一個保護二極管，就可以很容易地實現預升壓。(請參見圖3)。

圖3：具有預升壓功能的汽車降壓變換器電路簡圖

在這個配置中，D1用作升壓變換器中的續流二極管，而L1為升壓電感器。C1和C2分別是其輸入和輸出電容器，而C3充當緩沖器，在冷啟動條件下當升壓器開始工作時，可用于短暫時間內保持電壓。增加D2是為了保護升壓IC不受電池反極性連接的影響；而且它僅在冷啟動期間導通，因而不會影響效率。極性保護和濾波能力也得以保持。

MPS的 MPQ3426是一款符合AEC-Q100標準的45V/6A異步升壓變換器，可在低至3.2V的輸入電壓下工作。該器件采用小尺寸3mm x 4mm QFN封裝，具有最少的外部組件要求，可以輕松實現預升壓，同時將成本和性能影響降至最低。

MPQ3426的VIN引腳是內部電路的偏置電源，應連接至降壓變換器的輸出軌。 這樣可減少內部LDO損耗，使升壓IC的偏置電源獨立于系統輸入電壓，并將預升壓的工作電壓范圍擴展至45V。

另一方面，由于系統始終以大約12V的電池電壓啟動，降壓變換器得以啟動并為預升壓電路供電，從而確保輸入電壓始終高于3.2V，并在汽車冷啟動期間提高其輸出功率。預升壓電路可調節的最低輸入瞬態電壓受到升壓IC開關電流限值的限制。

將預升壓的輸出電壓設置在7.5V至9.5V之間，可確保預升壓不會在正常情況下開始切換，但在冷啟動時將快速響應。 由于預升壓在正常條件下不會切換，因此不會產生任何損耗，也不會產生EMI。通過演示板配合以MPS的AEC-Q100標準MPQ4430 系列36V同步降壓變換器，這種預升壓設計已得到驗證（見圖4）。

圖4: MPS預升壓演示板

設計預升壓時，尤其需要注意電感器和二極管的選擇。在冷啟動的短暫過程中，輸入電壓非常低，但輸出功率保持不變；因此，電感器需要足夠高的飽和電流，以使預升壓在瞬態期間具有良好性能。該飽和電流應大于冷啟動期間的峰值電感電流 (IPEAK)。 IPEAK取決于冷啟動期間的最大輸入電流 (ILDC)和電感紋波電流 (ΔIL), 可分別使用公式（1）、公式（2）和公式（3）計算得出。 (1)

該應用選擇了一個飽和電流為9.2A的2.2μH電感器。

另一方面，二極管需要的直流電流額定值需高于冷啟動期間的預升壓輸出電流，該電流可以比降壓變換器的標稱輸入電流高約25％。更重要的是，冷啟動期間，二極管的峰值電流應該高于后級電感的峰值電流。

不同汽車應用對冷啟動電壓的要求可能不盡相同，圖5列出了部分典型值，包括一個正常情況下的電壓曲線和一個惡劣條件下冷啟動的電壓曲線。預升壓的輸出功率能力將完全依賴于冷啟動期間需要的最低電壓水平；在較低的輸入電壓下，峰值電感電流可能很高。下表比較了系統可提供的最大輸出電流與冷啟動期間的最低電壓。

表1: 預升壓演示板功率能力

圖5:冷啟動測試電壓曲線

為測試電路板對冷啟動事件的響應，這里采用了經過認證的汽車電壓瞬變發生器，它具有已設置好的電壓曲線。它還可以用大多數電子實驗室中都很常見的可調電源輕松進行測試。圖6 顯示的波形清晰展現了通道1中冷啟動電壓瞬變的開始、通道2中預升壓的輸出電壓以及通道3中的系統輸出電壓。

圖6：MPS預升壓演示板對冷啟動電壓瞬態響應的特寫（測試條件：VO= 5V, IO= 1.5A）

結論

通道3的波形顯示出，冷啟動將輸入電壓降至約3.2V，而輸出電壓始終保持5V恒定，未受影響。 通道2的波形顯示了預升壓如何快速響應電壓瞬變，并將輸出電壓調節至9.5V。這表明了，對于在瞬態電壓下需要連續工作的汽車系統而言，預升壓是一種出色的解決方案。

在更高功率的應用中，可以使用升壓控制器來實現預升壓，如MPS的MPQ3910A，該升壓控制器驅動外部晶體管并具有更高的電流能力。預升壓解決了冷啟動的設計難題，與現有的幾種替代方案相比，節省了更多成本與板空間。它實現了無縫順暢的自動啟停功能，增強了最終用戶體驗。

編輯：hfy