维持汽车启动条件的设计考量

Kaashyap Kattamudi

Todd Toporski

每月为您发送最具参考价值的行业文章

我们会保障您的隐私

简介

使用 12V 电池系统的现代汽车会受很多瞬态条件的影响。其中部分瞬态涉及高压脉冲，而另一些则涉及低压条件。启动瞬态是汽车引擎发动时产生的低压状况，期间，汽车电池电压会在短时间内下降至低于正常工作范围好几伏。

保持车辆在各种启动条件下也正常运行的要求在近几年中越来越严格，随之而来的，是对更强大的电源解决方案的迫切需求。根据启动波形来设计，再加上负载必须由特定电源轨供电，要设计满足这些要求的系统，设计人员压力不小。本文将介绍一款功能强大的 DC/DC变换器，它可以承受各种汽车启动瞬态。

满足极端启动条件的设计

设计 12V 汽车系统必须考虑极端启动条件（见图 1）。ISO 16750-2、ISO 7637-2 和Test Pulse 4 等标准定义了许多车辆启动曲线，包括冷启动条件、热启动条件以及类似波形相关的启动曲线。

图1: 典型汽车电子系统

图 2 显示了冷启动波形的示例，其启动曲线由 ISO 标准定义。

图 2：冷启动的启动曲线示例

对车辆来说，最具挑战性的启动行为可能发生在寒冷的天气条件下。当汽车电池和发动机都处于低温状态较长时间时，要启动车辆发动机需要大量的电池电流。“冷启动”条件是指在启动器汲取大量电流以启动冷引擎后，电池电压(V_BATT)降至极低的情况。在冷启动条件下，V_BATT 可在 15ms 至 50ms 内降至 3V 或 4.5V（具体取决于车辆电子系统）。在此期间，如果需要电源调节超过输入 V_BATT 的特定电压，则可能遇到挑战。例如，5V 或 10V 电源无法降压，因此在冷启动条件下必须通过 V_BATT 升压。

在热启动条件下，V_BATT 也会下降，但通常下降程度没有冷启动那么严重。一般来说，热启动波形可能会降至 6V 或 7V，并且持续时间也不像冷启动那么长。这是因为引擎和电池都处于相对较高的温度，启动器启动车辆需要的电池电流较少。由于所需电流较少，电池的整体压降也较低。

深入了解启动条件下的升降压变换器

MPQ8875A-AEC1一款能够满足汽车启动波形要求的4 开关升降压变换器。它支持 2.2V 至 36V（负载突降容限高达 42V）的宽输入电压(V_IN)范围，并具有四个集成功率 MOSFET。图 4 显示了 MPQ8875A-AEC1 的一种应用电路，可在 3A 负载下提供 12V 输出。当V_IN大于输出电压(V_OUT)时，器件以降压模式运行；当V_IN < V_OUT时，器件在升压模式下运行；当V_IN几乎等于 V_OUT时，器件以升降压模式运行，所有开关均换向以提供 12V电压。在所有模式下，输出端都只需一个电感即可实现 12V 调节。

图 4：MPQ8875A 在不同 V_IN条件下提供 12V 电压

我们采用 MPQ8875A-AEC1 来设计DCM，并使用 ISO 16750-2 IV 级针对 12V 系统定义的启动曲线进行自动启停（或热启动）测试。MPQ8875A-AEC1在瞬态事件期间的行为如图5所示，其中包括V_IN（蓝色）、V_OUT（洋红色）和电感电流(I_L，黄色）的波形。V_IN是电源连接器上测得的V_BATT输入，它受自动启停条件的影响。V_OUT是测得的 12V 稳压输出，I_L则为测得的电感电流。本测试的负载电流为3A。

图 5：MPQ8875A 在自动启停瞬态条件下的 V_IN、V_OUT和I_L波形

在热启动条件下，V_IN迅速降至 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出现几秒钟；之后，V_IN 恢复至约 13.5V 的标称电压。在此期间，MPQ8875A-AEC1 持续调节其 12V 输出，不会出现任何压降。I_L则随着 V_IN的下降而急剧增加，并产生持续约 15ms 的 4.9A 峰值电流；随后，I_L在 3.3A 和 4.5A 之间波动约 10 秒；最后，当 V_IN 达到标称 V_BATT电压时，I_L 也降至标称值 3A。

选择具有适当额定电流的电感 (L1) 对正常运行至关重要，因为它不仅要满足热启动期间的峰值电流，还必须满足冷启动条件下的峰值电流。软饱和电感是一个很好的选择，它应能够处理启动波形初始压降期间的峰值电流，以及正弦部分的峰值。我们推荐从最小饱和额定值介于 5A 和 6A 之间的电感开始。在测试期间测量电感电流的行为将是验证电感大小是否恰当的关键步骤，切不可忽视这一步。

总结

本文介绍了设计汽车 12V 电池瞬态条件时面临的一些挑战，并讨论了极端发动机启动条件（包括冷启动和热启动）的设计考量。我们还以MPQ8875A-AEC1 为例设计了一个升降压电路，测试表明，该电路能够承受典型的启动波形，同时提供稳定的 V_OUT。此外，MOSFET 和电感的电流额定值尤其重要，特别是当 V_IN 短暂下降至远低于正常情况时。作为电路设计和验证的一部分，应始终测量 V_IN、V_OUT和电感电流，以验证所有输入条件下电路都能正常运行。

如需其他汽车升降压和升压变换器解决方案，请浏览 MPS 官网。