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维持汽车曲柄条件的设计注意事项

2024-01-12 17:40:15 Todd Toporski 阅读:
使用12V电池系统的新款汽车会受到多种瞬态条件的影响。

使用12V电池系统的新款汽车会受到多种瞬态条件的影响。一些瞬态涉及高压脉冲,而另一些瞬态可能处于低压条件下。曲柄瞬态是汽车发动机启动、汽车电池短时间内电压低于正常工作范围几伏时发生的低电压状况。AtIednc

近年来,在启动条件下保持车辆正常运行的要求变得更加严格,对更强大的动力解决方案的需求也变得越来越明显。根据曲柄波形以及必须由特定电源轨供电的负载,设计满足这些要求的系统可能会给设计人员带来挑战。本文将探讨一种鲁棒的DC/DC转换器,它可以承受各种汽车曲柄瞬态。AtIednc

针对极端启动条件进行设计

设计12V汽车系统时必须考虑极端启动条件(见图1)。ISO 16750-2和ISO 7637-2(测试脉冲4)等标准定义了许多车辆的启动曲线,包括与冷启动条件、热启动条件和类似波形相关的启动曲线。AtIednc

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图1:典型的汽车电气系统。AtIednc

图2给出了冷启动波形示例,其启动曲线由ISO标准定义。AtIednc

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图2:冷启动启动曲线示例。AtIednc

对于车辆来说,最具挑战性的启动行为可能发生在寒冷的天气期间,此时汽车电池和发动机都已处于低温状态很长一段时间。在这种情况下,需要大量的电池电流来启动车辆发动机。“冷启动”情况是指在起动机汲取大电流,打开冷发动机后,电池电压(VBATT)降至非常低的情况。在冷启动条件下,VBATT可在15至50ms内降至3V或4.5V(取决于车辆的电气系统)。在此事件期间,如果想要用电源调节超过输入VBATT的特定电压,则可能会遇到挑战。例如,5V或10V的电源无法实现降压,因此在冷启动条件下必须通过VBATT来升压。AtIednc

在热启动条件下,VBATT也会下降,但通常下降程度没有冷启动时那么严重。一般来说,热启动波形可能会降至6V或7V,并且持续时间不会像冷启动那么长。这是因为发动机和电池都处于相对较高的温度,起动机只需消耗较少的电池电流来启动车辆。由于消耗的电流较少,电池的整体压降较低。AtIednc

新款汽车通常支持启动/停止(或停止/启动)以提高燃油经济性。启动/停止是一种热启动条件,在发动机发热行驶时发生。如果踩下制动踏板时车辆完全停止,发动机将关闭。当松开制动踏板时,发动机将重新启动。在启动/停止期间,车辆中的关键模块必须继续运行,且性能不会发生任何变化。AtIednc

下面来考虑一下为显示面板提供电源和控制的显示控制模块(DCM)的示例(参见图3)。AtIednc

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图3:显示控制模块。AtIednc

显示面板可以是中央堆栈显示器、后座显示器或新款车辆中的其他显示器。从电源的角度来看,当车辆运行时,DCM必须始终为显示面板提供稳定的12V电源。在启动/停止期间还必须提供12V电压,因为不能让显示面板闪烁、丢失视频或停止运行。在正常电池条件下,VBATT介于13V和14V之间。然而,在热启动/停止期间,VBATT会下降至最低6V。为了在这些不同条件下提供恒定的12V电压,必须选择一个DC/DC转换器,使其能在VBATT较高时实现降压并在VBATT降至非常低时实现升压。为了实现这一目标,升降压DC/DC转换器是满足这些要求的绝佳选择。AtIednc

仔细观察启动条件下的升降压转换器

MPQ8875A-AEC1是一款四开关升降压转换器,能够满足汽车曲柄波形要求。它支持2.2至36V(高达42V负载突降)的宽输入电压(VIN)范围,并具有四个集成功率MOSFET。图4显示了MPQ8875A-AEC1配置为在3A负载下提供12V输出时的应用电路。当VIN超过输出电压(VOUT)时,器件以降压模式运行。当VIN低于VOUT时,器件在升压模式下运行。当VIN几乎等于VOUT时,该器件在升降压模式下运行,并且所有开关都进行换向以提供12V电压。对于所有模式,输出端只需要一个电感器即可提供12V调节。AtIednc

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图4:MPQ8875A为不同的VIN条件提供12V电压。AtIednc

DCM是使用MPQ8875A-AEC1设计的,并使用ISO 16750-2 IV级12V系统定义的启动曲线对其启动/停止(或热启动)进行了测试。图5显示了其在此瞬态事件期间的行为,其中包括VIN(蓝色)、VOUT(洋红色)和电感器电流(IL,黄色)的波形。VIN是测量到的电源连接器的VBATT输入,它受到启动/停止条件的影响。VOUT是测得的12V稳压输出;IL则显示了测得的电感器电流。本次测试的负载电流为3A。AtIednc

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图5:MPQ8875A在启动/停止瞬态条件下的VIN、VOUT和IL波形。AtIednc

在热启动条件下,VIN将迅速下降至6V,并在此状态下保持约15ms。然后,代表交流发电机纹波的低频正弦波形会出现几秒钟;之后,VIN将返回到约13.5V的标称电压。在此情况下,MPQ8875A-AEC1将继续调节其12V输出,不会出现任何压差。IL会随着VIN下降而急剧增加,并产生持续约15ms的4.9A的峰值电流。然后IL将在3.3A和4.5A之间波动约10s。最后,当VIN达到标称VBATT电压时,IL将降至标称值3A。AtIednc

选择具有适当额定电流的电感器(L1)对于正常运行至关重要,因为它不仅必须满足热启动期间的峰值电流,而且还必须满足冷启动条件下的峰值电流。软饱和电感器是一个很好的选择,它应该能够处理曲柄波形初始电压降期间的峰值电流,以及正弦部分期间的峰值。在这种情况下,最小饱和额定值在5至6A范围内的电感器是一个很好的开始。在此测试期间测量电感器电流的行为,是验证电感器尺寸是否适当的关键步骤。不要忽视这一步。AtIednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Design Considerations to Sustain Automotive Crank Conditions,由Franklin Zhao编译。)AtIednc

本文为《电子技术设计》2024年1月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里AtIednc

责编:Ricardo
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