汽车电子系统降压型BUCK变换器的设计技巧

汽车电子系统降压型BUCK变换器

的设计技巧

目前高频高效的DCDC 变换器在汽车电子系统中的应用越来越多。

高的开关频率可以使用较小的功率电感和输出滤除电容，从而在整体上减小的系统的尺寸，提高系统的紧凑性，并降低系统的成本;高的工作效率可以提高汽车电池的使

用时间，降低系统的功率损耗，从而减小系统的发热量，优化系统的热设计，并进一步提高系统的可靠性。

但高的开关频率会降低系统的工作效率，因此在设计时必须在开关频率和工作效率之间作一些折衷处理。本文主要针对DCDC 降压型BUCK 变换器应用于汽车电子系统时，探讨包括上述问题在内的一些设计技艺和注意事项，而且这些问题往往是工程现在设计时容易忽略的细节。

1 实际的最小及最大输入工作电压

1.1 开关频率

开关频率必须在效率，元件的尺寸，最小的输入与输出电压差，最大输入电压之间进行折衷处理。高的开关频率

可以减小电感和电容的值，因此可以使用较小体积和尺寸的电感和电容，并降低成本。但高的开关频率会降低效率，并降低实际的最大的工作输入电压，以及要求更高的输入输出电压差。

最高的开关频率可以由下式计算：

其中： f S(MAX )为最大的开关频率，tON(MIN) 为开关管要求的最小的导通时间，VD 为续流二极管的正向压降，VOUT 为输出电压，VIN 为正常工作的输入电压，VDS (ON ) 为开关管的导通压降。

上式表明：t ON(MIN) 一定时，低的占空比要求更低的开关频率才能保证系统安全的操作。同样的，低的开关频率允许更低的输入输出电压差。

输入电压依赖于开关频率的主要原因在于PWM控制器的具有最小的开通t ON(MIN) 和最小关断时间t

OFF(MIN) 。如果其取值为150ns，也就是说开关管开通

时导通时间至少要持续150ns ，低于150ns 可能导致MOSFET无法正常的开启;同样的，开关管关断时关断的时间至少要持续150ns，低于150ns可能导致MOSFET 无法正常的关断。这意味着最小的占空比和最大的占空比为：

上式表明：开关频率降低时占空比的范围增加，优化的开关频率必须保证系统具有足够的输入工作电压范围，同时使电感和电容尽量的小。

1.2 实际的最大输入工作电压

通常芯片的输入电压有一定额定的工作电压范围，除了额定的工作电压的限制，实际的输入工作电压还要受到其它一些条件的限制。最小的实际输入工作电压通常由最大的占空比来决定。BUCK 变换器的占空比为：

在输入电压最高时，占空比最小。最大的实际输入工作电压由PWM控制器最小的占空比决定：

如果输出在起动或短路的工作条件下，输入的电压必须低于以下的计算结果：

由此可知：低的开关频率可以在更高的输入电压时安全的操作。最短导通时间t ON(MIN) 是每个控制器能够接通高端MOSFET的最短持续时间。它由内部定时延迟以及接通高端MOSFET所需要的栅极电荷量决定。低占空比的应用可以接近该最短导通时间限制，并应注意确保：

如果输出的电压处于调节的状态，系统也不是起动和短路状况，输入电压大于允许的实际最大输入工作电压，系统仍然可以工作，而与工作频率无关。在这种状况下，占空比降到最短接通时间能调节的水平以下，控制器将开始进入跳脉冲工作方式，即一些脉冲将被跳掉以维持输出电压的调节，此时输出的电压和电流纹波比正常工作状态时输出的电压和电流纹波大。

通常，当峰值检测电压下降时，每个控制器的最短接通时间将逐步增加，如在轻负载条件下，最短接通时间将

逐步增加，在具有低纹波电流的强制连续操作应用中这一点特别重要，在这种情况下占空比降至最短接通时间限制以下，就会发生明显的跳脉冲现象，电流和电压的纹波会明显的的增加。另外，电感的饱和电流通常取输出电流的1.3倍以上，对于一些恶劣的工作条件如起动和输出短路以及高的输入电压，电感的饱和电流必须取更大的值，以保证系统安全的工作。

通常开关频率是固定，但是一些使用外部电阻设置开关频率的同步BUCK 控制器可以加一个稳压管Z1 和限流电流R1 实现在输入电压增加时，降低开关频率，从而扩大输入电压的范围，如图1 所示。

图1：高输入电压时降频工作电路

这个电路带来的问题时，在高输入电压时，由于频率降低，而电感值又一定，所以输出的电流和电压纹波增加。频率在较宽的范围内变化，电感无法优化的工作，环路的补偿无法优化。通过增加稳压管Z2 和限流电流R2 来设定系统的最低工作频率，从而限制频率变化的范围。

1.3 实际的最小的输入工作电压

在输入电压最低时，占空比最大。使用同步BUCK 控制器，最小的实际输入工作电压由PWM 控制器最大的占空比决定：

最小工作电压与最小关断时间t OFF(MIN) 的关系为：

由上式可知：t OFF(MIN)一定时，高的开关频率将增加实际的最小的输入工作电压。若要更低的输入工作的电压，可以使用低的开关频率。在一些同步BUCK 控制器中，当输入和输出的压差降低到一定的值时，系统将进入占空比为100%的全导通或LDO 控制方式。

2瞬态最大峰值输入电压

随着电池供电设备越来越多进入移动应用领域，人们使用汽车的点烟器接通电源以使电池组在汽车行驶期间储存电能甚至再充电。但接通前，注意：在接通到极恶劣的电源上，汽车内的主电源电缆产生一些潜在的瞬变，包括负载突降及电压电压倍增。负载突降是电池电缆松动的结果。当电缆连接中断时，交流发电机中的磁场会会产生一个高达60V 的正尖峰电压，它能在几百毫秒中衰变。电池电压倍增是24V跳跃式起动时性能比12V 更快让冷车发动的结果。

图2 是保护DCDC 转换器不受汽车电源线损坏的最简单直接的方法。

瞬态抑制器在负载突降期间对输入电压进行箝位。注意：瞬态抑制器不应在双倍电池电压操作时导通，但仍必须将输入电压箝位在转换器的击穿电压之下。