汽车启停系统方案设计

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当前版本：V1.0.0.0
作者：曾斌
完成日期：2014-07-15
版本/状态作者起止日期备注
V1.0 Brucezeng 2014-06-26 初稿
V1.1 评审人员2014-07-02
1、引言
如今，汽车用户越来越关注油耗，期望节省燃油支出，而这也能帮助减少对环境的影响。

为了了配合此趋势，汽车制造商们纷纷采用各种途径来降低油耗，其中一种途径就是在新车型中应用自动“启动/停
止”(Start/Stop)功能，帮助降低油耗。

所谓自动启停功能，就是汽车因为堵车或等红灯而停下来时，这些创新的系统自动关闭发动机(熄火)；
而当驾驶人的脚从刹车踏板移向油门踏板时，或者在使用手动档情况下释放离合器踏板就自动重新启动发动机(点火)。

这就帮助降低市区驾车及停停走走式交通繁忙期时不必要的油耗，降低排放。

发动机启停系统是这几年来发展最迅猛的汽车环保技术，特别适用于走走停停的城市路况。

到2012年，欧洲新上市的车中将有50％配备起步停车系统。

据介绍，这套系统能在城市工况下达到15%的节油能力。

2、方案分析
汽车启停系统也为汽车电子设计带来一些独特挑战。

因为当发动机重新启动时，电池电压可能骤降至
6.0 V甚至更低。

传统汽车电源架构中，典型电子模块包含反极性二极管，用于在汽车跳接启动(jump started)
而跳接线缆反向的事件中保护电子电路。

保护电路本身产生压降，使下游电路电压仅为5.5 V或更低。

由于许多模块仍要求5 V供电，过低的压差使降压电源没有足够余量来正常工作。

因此，传统的汽车电源架构不适用于自动启停系统。

针对一些客户对启停系统的需求，我们对汽车启停系统做出详细的剖析。

需要解决的难点问题：
1、电源降到6V或者更低的情况下，要维持系统的正常工作。

2、车载娱乐系统LED指示灯瞬间变暗或者闪烁。

3、内外部照明变暗，灯光闪烁。

----此部分汽车车厂解决。

4、刹车灯和大灯影响安全性，也需要相应的电源解决方案使它们保持正常工作。

----此部分车厂解决，
后续如果涉及到LED车灯设计，也需要考虑。

所以好的自动启停系统方案需要选择适当的电源架构，常见的电源架构有3种，一种是采用低压降LDO线性稳压器，或是低压降开关电源；另一方案是采用升降压电源为初级电源；还有一种就是在初级高压降压电源之前，采用前置升压电源。

3、系统功能设计
3.1 Sepic电源电路
SEPIC(single ended primary inductor converter) 是一种允许输出电压大于、小于或者等于输入电压的DCDC变换器。

输出电压由主控开关(三极管或MOS管)的占空比控制。

这种电路最大的好处是输入输出同极性。

尤其适合于电池供电的应用场合，允许电池电压高于或者小于所需要的输入电压。

它增加了一个到地的电感和一个隔直流电容，好处是输出端不再有短路问题，因为现在输出端串联了一个隔直流电容。

输出端也不再受输入电压的影响，因此可以低于或高于输入电压。

需要注意的是，正如所有开关拓扑表明的那样，仍然需要电池反极性保护机制，因为反向电流仍然会通过FET的体二极管从地回流到输入电压。

缺点：Sepic电路由于在系统中一直处于工作状态，如果放在前级的话，对静态电流的消耗也是个大问题。

一般可以应用在显示屏的供电电路，主要是保证输出电源有稳定的输出，不受前级影响。

3.2升降压作为初级电源
3.2.1 TI解决方案—TPS43330
TI的TPS43330电源解决方案即使在输入电压急剧下降至低于输出电压的情况下，也可确保稳定地不间断输出电压。

该TPS43330-Q1 系列可在出现这种压降时保持充足的功能性，确保应用在没有任何中断或性能降低的情况下继续工作。

TPS43330包含有2个电流模式同步降压控制器和一个电压模式升压控制器。

这一部件非常适合作为预稳压器级，此稳压器级对Iq要求较低并且在遇到由意外事件引起的电源中断时，需要不对系统造成损
害。

集成升压控制器可使设备运转在输入电压低至2V的情况下而不会在降压调节器输出阶段造成电压下降。

轻负载时, 降压控制器可自动运行在低功耗模式,只消耗30μA的静态电流。

降压控制器具有独立软启动功能和电源正常指示器。

降压控制器中的电流折返和升压控制器中的逐周期电流限制提供对外部MOSFET保护。

开关频率可设定在150kHz至600kHz之间或者与在同一范围内的外部时钟同步。

此外, TPS43332-Q 提供跳频扩频操作。

其功能特性如下：
两个同步降压控制器，可应用于系统常用的5V和3.3V供电
一个预增压控制器
输入范围最高40V，(瞬时最高60V)，当增压开启时，操作降至2V
低功率模式IQ: 30μA (一个降压开启)，35μA (两个降压开启)
低关断电流Ish < 4 μA
降压输出范围0.9V 至11V
可选择升压输出：7V/10V/11V
可编程频率和外部同步范围150kHz 至600kHz
分开的启动输入(ENA，ENB)
频率扩频(TPS43332)
符合汽车应用要求
缺点:对整机改造比较大，成本比较高。

3.3前置升压电源
3.3.1 安森美（ON）解决方案—NCV8876
安森美半导体应用于汽车自动启停系统的非同步升压控制器NCV8876，主要用于在汽车自动启停时为后续电路提供足够的工作电压。

它是一种改进型的前置升压电源方案。

NCV8876驱动外部N沟道MOSFET，使用内部斜坡补偿的峰值电流模式控制，集成了内部稳压器，为门极驱动器提供电荷。

NCV8876采用2 V至45 V输入电压工作，能够在冷启动及45 V负载突降情况下工作。

NCV8876在休眠模式下的静态电流典型值仅为11 μA，适应汽车应用的低静态电流要求。

它在宽温度范围下提供±2%的输出电压精度。

NCV8876采用SOIC8微型封装，工作温度范围-40℃至150℃，能够适应汽车应用的严格要求。

图2 NCV8876的典型应用电路
NCV8876具有状态（STATUS）监测功能，能为微控制器提供工作状态信息。

当工作状态为低电平时，NCV887工作；高电平时，NCV8876休眠。

这器件可以透过外部电阻RDSC设定频率。

它还可内部设定限流值、最大占空比等多项参数。

NCV8876集成了多种保护功能，如逐周期限流保护、断续模式过流保护及过热关闭等。

其它特性包括：峰值电流检测、最小COMP电压钳位可提高切换时的响应速度等。

具体参考电路如下：
图3 设计评估电路
NCV8876改进型前置升压电源方案的原理是：电池电压正常时，NCV8876进入休眠模式，仅消耗极低的静态电流（典型值《11 μA）；而当电池电压降至设定电压时，NCV8876自动唤醒，开始升压工作。

具体而言，当汽车电池供电电压下降到低于7.3 V（可工厂预设）时，NCV8876自动启用；而当电池电压降至低于6.8V时，NCV8876启用升压工作。

因此，NCV8876可以保障后续电路有足够的余量来恰当地进行降压工作，供下游系统使用。

缺点：电池压降低于6.8V时，boost电路固定输出只有6.8V，并不满足车载娱乐系统的比如收音机，功放以及DVD的正常工作。

3.3.2安森美（ON）解决方案—NCV8877
同NCV8876方案比较，蓄电池低电压的时候，boost电路VOUT输出可以达到10V，完全可在启停系统中满足系统的供电要求。

另外不同的是增加了disable使能脚，可以通过系统控制芯片的工作。

注意事项：
1、如果音响全开的话，电流比较大，对二极管DB的要求比较高，必须慎重选择，需要满足较大的电流
启停过程中，时间比较短，在2~3S内完成的话，二极管问题不大。

2、蓄电池欠电的问题，如果蓄电池本身欠电，将会导致升压常供电，这样会导致DB发热量持续增加，
有烧毁的危险，对整个系统带来隐患。

可以通过MCU去侦测蓄电池的电压，如果超过一定的时间的
话，就强行关闭，让芯片停止工作。

优势：成本较低，不到0.5USD，是预研推荐的选择方案。

结论:
通过对各芯片以及电路的对比，安森美的NCV8877解决方案性价比较高，能满足前期公司客户对汽车启停系统的要求，详细的测试数据等待开发板测试，提供负载带载能力，室外装车测试报告进一步预研。