中心議題：

• 車載電源的拋負載瞬態保護
• 儀表板應用中的冷啟動
• 車載電源管理設計

解決方案：

• SEPIC 轉換器
• 啟動降壓－升壓轉換器

車載電源管理的要求正變得愈加苛刻，其要求電源能夠工作在更寬泛的輸入電壓範圍、更高的電流及更高的溫度極值條件下。這些要求將使開關模式電源設計成為主流

，因為這種電源設計具有更大的靈活性、更優異的可配置性和更高的散熱效率。

開關模式的電源的核心組件是 DC-DC 轉換器。今天的車載轉換器必須能夠支持各種運行條件，例如：低壓運行（也就是冷啟動）和正瞬態生存性 (positive transient survivability)（也就是抑製或未抑製的拋負載狀態）。車(che)載(zai)子(zi)係(xi)統(tong)的(de)出(chu)現(xian)所(suo)帶(dai)來(lai)的(de)更(geng)高(gao)負(fu)載(zai)需(xu)求(qiu)使(shi)得(de)這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)的(de)設(she)計(ji)變(bian)得(de)更(geng)為(wei)複(fu)雜(za)。本(ben)文(wen)將(jiang)給(gei)設(she)計(ji)者(zhe)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)關(guan)於(yu)車(che)載(zai)電(dian)源(yuan)需(xu)求(qiu)的(de)簡(jian)要(yao)介(jie)紹(shao)，並(bing)且(qie)介(jie)紹(shao)一(yi)款(kuan)由(you) TI 最近推出的新型 DC-DC 轉換器 TPIC74100。

拋負載瞬態保護

幾乎所有直接連接至汽車電池的電子組件和電路都要求保護，以免於受到抑製

、瞬態電壓（高達60V）和he反fan向xiang電dian壓ya狀zhuang態tai的de損sun害hai。對dui於yu這zhe些xie電dian子zi電dian路lu而er言yan，必bi須xu能neng夠gou經jing受shou住zhu電dian源yuan線xian路lu上shang一yi定ding程cheng度du的de過guo電dian壓ya，這zhe也ye是shi種zhong常chang見jian的de要yao求qiu。對dui於yu那na些xie要yao求qiu任ren何he特te殊shu車che載zai電dian子zi係xi統tong的de主zhu電dian源yuan輸shu入ru均jun能neng夠gou在zai各ge種zhong不bu同tong瞬shun態tai電dian壓ya狀zhuang態tai（包括交流發電機拋負載）下工作的車載係統來說尤為如此。

由(you)於(yu)交(jiao)流(liu)發(fa)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)關(guan)閉(bi)的(de)速(su)度(du)不(bu)夠(gou)快(kuai)，因(yin)此(ci)，在(zai)將(jiang)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)去(qu)除(chu)掉(diao)時(shi)
，其(qi)會(hui)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)高(gao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)脈(mai)衝(chong)。正(zheng)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)
，在(zai)汽(qi)車(che)某(mou)個(ge)中(zhong)央(yang)位(wei)置(zhi)
，這(zhe)種(zhong)高(gao)能(neng)脈(mai)衝(chong)被(bei)控(kong)製(zhi)（或抑製）在zai一yi個ge較jiao低di的de電dian壓ya範fan圍wei內nei。但dan是shi，汽qi車che製zhi造zao商shang還hai是shi給gei其qi供gong應ying商shang規gui定ding了le在zai其qi電dian源yuan輸shu入ru端duan可ke能neng出chu現xian的de剩sheng餘yu過guo電dian壓ya。這zhe種zhong情qing況kuang在zai不bu同tong轎jiao車che廠chang商shang中zhong有you所suo差cha異yi，但dan是shi轎jiao車che的de標biao準zhun峰feng值zhi大da約yue為wei 40V
，而商務車的標準峰值則大約為 60V。一個典型拋負載脈衝的持續時間為十分之幾秒，下圖（圖 1）顯示了該拋負載狀態下的典型脈衝。

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儀表板應用中的冷啟動

車載環境對於電源管理芯片的需求正日益增加。這些需求之一便是需要電源管理 IC 能(neng)夠(gou)在(zai)一(yi)個(ge)寬(kuan)電(dian)壓(ya)偏(pian)移(yi)範(fan)圍(wei)內(nei)工(gong)作(zuo)
，直(zhi)接(jie)連(lian)接(jie)至(zhi)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)通(tong)常(chang)都(dou)會(hui)有(you)這(zhe)種(zhong)電(dian)壓(ya)偏(pian)移(yi)範(fan)圍(wei)。通(tong)過(guo)觀(guan)察(cha)該(gai)冷(leng)啟(qi)動(dong)脈(mai)衝(chong)，可(ke)以(yi)描(miao)述(shu)出(chu)此(ci)類(lei)瞬(shun)態(tai)的(de)一(yi)個(ge)實(shi)例(li)。這(zhe)種(zhong)狀(zhuang)態(tai)可(ke)發(fa)生(sheng)在(zai)寒(han)冷(leng)環(huan)境(jing)下(xia)車(che)輛(liang)的(de)第(di)一(yi)次(ci)啟(qi)動(dong)。如(ru)果(guo)溫(wen)度(du)足(zu)夠(gou)低(di)（冷卻至零攝氏度），那麼引擎的油就會變得粘稠

，通過要求提供更高的功率（扭矩），這就對馬達提出了重負載要求。這樣就需要能夠提供更高電流的電池。重負載需求可以在該點火周期內將電池電壓立刻下拉至 3V。

我們所麵臨的挑戰是
，一些應用必須在該過程中保持運行。這些應用並非隻限於動力傳動係 ECU 或huo者zhe安an全quan苛ke求qiu的de應ying用yong，在zai一yi些xie集ji群qun和he信xin息xi娛yu樂le子zi係xi統tong中zhong也ye同tong樣yang可ke以yi看kan到dao這zhe些xie應ying用yong的de蹤zong影ying。當dang出chu現xian該gai狀zhuang態tai時shi，電dian源yuan管guan理li芯xin片pian必bi須xu對dui輸shu入ru電dian壓ya進jin行xing升sheng壓ya
，以yi便bian保bao持chi正zheng確que的de調tiao節jie輸shu出chu電dian壓ya

，從cong而er使shi這zhe些xie電dian子zi係xi統tong可ke以yi正zheng確que地di發fa揮hui作zuo用yong。

可用於升壓∕降壓轉換的拓撲結構包括若幹種類：SEPIC（單端初級電感轉換器），或一種純降壓∕升壓轉換器。

SEPIC 轉換器

SEPIC 轉zhuan換huan器qi提ti供gong了le一yi種zhong降jiang壓ya轉zhuan換huan，直zhi到dao輸shu入ru電dian壓ya等deng於yu或huo者zhe降jiang到dao輸shu出chu電dian壓ya電dian平ping之zhi下xia。然ran後hou
，其qi將jiang提ti供gong升sheng壓ya轉zhuan換huan，直zhi到dao電dian池chi電dian壓ya降jiang至zhi最zui小xiao容rong許xu輸shu入ru電dian壓ya的de電dian平ping。使shi用yong SEPIC 的一個主要弊端是

，它需要一個單耦合電感器（變壓器）或者兩個單獨電感器，以及一個耦合電容器，如圖 3 所示。

圖3 使用兩個單獨電感的SEPIC拓撲結構

這些電感器和線圈的體積均較大，需要占用更多的 PCB 空間。在那些必須保持體積尺寸和板級空間的應用中，這種情況就更加不適宜。

啟動降壓－升壓轉換器

車載應用中，對於降壓－升壓轉換器的需求在過去的幾年中急劇增長。對於那些電壓瞬態期間（例如：冷啟動）需要繼續“存活”的應用而言，這就更加有益。

該降壓－升壓轉換器是一款典型的 DC-DC 轉zhuan換huan器qi，其qi具ju有you一yi個ge大da於yu或huo者zhe小xiao於yu輸shu入ru電dian壓ya振zhen幅fu的de輸shu出chu電dian壓ya振zhen幅fu。它ta是shi一yi款kuan開kai關guan模mo式shi電dian源yuan，具ju有you同tong升sheng壓ya轉zhuan換huan器qi和he降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi相xiang類lei似si的de電dian路lu拓tuo撲pu結jie構gou。根gen據ju開kai關guan晶jing體ti管guan的de占zhan空kong比bi
，可ke是shi可ke以yi對dui該gai輸shu出chu電dian壓ya進jin行xing調tiao節jie。

這zhe種zhong拓tuo撲pu結jie構gou由you一yi個ge降jiang壓ya功gong率lv級ji及ji其qi兩liang個ge功gong率lv開kai關guan組zu成cheng，這zhe兩liang個ge開kai關guan又you通tong過guo功gong率lv電dian感gan被bei連lian接jie至zhi一yi個ge升sheng壓ya功gong率lv級ji及ji其qi兩liang個ge功gong率lv開kai關guan。這zhe些xie開kai關guan能neng夠gou以yi三san種zhong不bu同tong的de運yun行xing模mo式shi進jin行xing控kong製zhi：降壓－升壓模式

、降壓模式和升壓模式。運行的特殊芯片模式是輸入到輸出電壓比率的函數，同時也是芯片的控製拓撲結構。

TPIC74100-Q1 是一款降壓－升壓開關模式調節器
，其在電源概念下工作
，以確保一個帶輸入電壓偏移和規定負載範圍的穩定輸出電壓。

TPIC74100-Q1 擁有完整的電壓模式控製開關，也是在同步配置中被設計出來的，以獲得整體增強效率。借助於一些外部組件（LC 組合），該器件可將輸出調節至 5V±3％，以實現一個寬泛的輸入電壓範圍，使其可以被許多高輸入電壓所應用。當 5V 輸出軌超出規定容差時

，該器件還可提供一種複位功能
，用於檢測和指示。
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TPIC74100-Q1 擁有一個頻率調製方案
，允許係統設計通過在頻帶上擴散頻譜噪聲（而非在特定頻率上達到峰值）來滿足 EMC 要求…

5Vg 輸出是一種開關 5V 調節輸出，其帶有內部電流限製功能，以在驅動一個電源線路電容性負載時防止“複位”聲明 (assert)。這種功能由 5Vg_ENABLE 終端控製。如果該輸出（5Vg 輸出）上有一個接地短路，那麼輸出將通過在斬波模式下運行來進行自我保護。但是，在該故障狀態下，這樣做就會增高 VOUT 的輸出紋波電壓。

降壓－升壓轉換

根據輸入電壓 (Vdriver) 和輸出負載條件的不同

，該運行模式在降壓和升壓模式之間進行自動切換。

在正常運行模式中
，該係統將會被配置為一個降壓轉換器。但是
，在低輸入電壓脈衝期間
，該器件自動地轉換到升壓模式運行
，以維持 5V 的電壓調節。當該器件正運行於升壓模式且處於 5.8V 至 5V 的轉換 (crossover) 窗口中時，輸出調節可能包含一個高於正常情況的紋波

，並且僅維持一個 3% 的容差。這種紋波和容差取決於負載情況，負載條件越高，性能就越高。

低功耗運行

在一些應用中，例如：傳動係和儀表板群，要求低功耗模式運行以使車輛點火處於“關閉”時的功耗處於最小。TPIC74100-Q1 擁有一個輸入 LPM
，當其在輕負載（通常小於 30mA）期間被開啟時將運行在 PFM（脈衝頻率調製）中。在大多數係統中，許多存儲器設備在點火處於“關閉”狀態時仍然需要一些功率來保留數據，通常需要不到 100uA 的電流。為了支持這種運行模式，總模耗應低於 300uA。TPIC74100-Q1 擁有 150uA（典型值）靜態電流的低功耗模式。通過開關頻率的變化完成調節。

在 PFM 模式下，用於輸出負載的減少的負載電流量是不存在的。在這種模式下，轉換器效率更低，由於更高的負載電流，輸出電壓紋波將比 PWM 模式下稍大一些。實現低功耗模式功能
，以實現降壓模式運行。在升壓模式條件下
，該器件將會自動進入 PWM 模式。通過開啟低功耗模式，降壓和升壓之間的轉換還有 PWM 模式和 PFM 模式之間的轉換將同時進行。

結論

在zai許xu多duo車che載zai應ying用yong中zhong，車che載zai瞬shun態tai電dian壓ya是shi一yi個ge將jiang會hui不bu斷duan給gei設she計ji人ren員yuan帶dai來lai挑tiao戰zhan的de問wen題ti。在zai許xu多duo需xu要yao在zai這zhe些xie條tiao件jian下xia不bu斷duan保bao持chi運yun行xing的de車che載zai電dian源yuan管guan理li係xi統tong應ying用yong中zhong

，或huo者zhe當dang電dian池chi電dian壓ya意yi外wai地di降jiang到dao要yao求qiu輸shu出chu電dian壓ya電dian平ping之zhi下xia時shi
，降jiang壓ya－升壓轉換器將起到一個關鍵作用。TPIC74100-Q1 車載降壓/升壓轉換器將簡化車載環境中的設計，並且使設計工程師可以節省外部組件數量和 PCB 空間（其具有功率開關和同步運行集成的特點）。TPIC74100-Q1 采用一個具有散熱焊盤的 20 引腳 PWP 封裝，其規定的工作溫度範圍為 -40℃～+125℃。