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汽車啟動/停止系統電源配置

2013年08月02日  | Mark Scholten, 資深現場應用工程師

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為了限制油耗,一些汽車製造商在其新一代車型中應用了「啟動/停止」(Start/Stop)功能。當汽車停下來時,這些創新的新系統關閉引擎;而當駕駛人的腳從剎車踏板移向油門踏板時,就自動重新啟動引擎。這就幫助降低市區駕車及停停走走式的交通繁忙時期的油耗。

但這樣的系統為汽車電子帶來了一些獨特的工程挑戰,因為當引擎重新啟動時,電池電壓可能降到6.0 V甚至更低。此外,典型電子模組包含反極性二極體,用以在汽車跳接啟動(jump started)而跳接線纜反向的事件中保護電子電路。二極體導致電池電壓又下降0.7 V,使下游電路的電壓僅為5.3 V或更低。由於許多模組仍要求5 V供電,此時電源就沒有足夠的餘量來恰當工作。

一種解決途徑是升壓電源。升壓電源接受較低的輸入電壓,並在輸出端產生較高的電壓。目前供應商正在電子模組的前端使用某種類型的升壓電源,使其能夠在由啟動/停止系統導致的壓差條件下恰當工作。下文將審視設計人員可用於這些啟動/停止系統的不同方案,包括低壓差(LDO)穩壓器、電池反向保護方案,以及各種升壓選擇。

就像大多數工程問題一樣,解決問題的方法也是多種多樣。如果電池電壓在輸入端僅降至6 V,那麼,首選及最簡單的方案就是探尋僅要求<0.3餘量的極低壓差線性穩壓器。這種方案適用於電流要求較低的模組,但對於需要更大電流的模組而言,設計人員就需要更多的選擇了。

另一種方案是以蕭特基二極體或P通道MOSFET替代用於在前端進行電池反向保護的標準P-N結二極體。蕭特基二極體的正向壓差約為標準整流器的一半,因此,它增添了零點幾伏的電壓餘量。改用蕭特基二極體足夠簡單直接,因為它通常恰好適用於跟標準二極體一樣的PCB焊盤,無須變更布線。但P通道MOSFET(簡稱P-FET)要求變更PCB,還要求一些額外電路。

圖 1
圖1:採用P通道MOSFET提供電池反向保護



圖1顯示了要求使用的3個元件,包括P-FET、齊納二極體及電阻。需要選擇恰當大小的P-FET,使其可以處理施加在模組輸入端的電壓,以及所要求的負載電流。此外,顧及系統散熱要求很重要,因為FET的功率耗散等於電流的平方乘以FET的導通電阻。齊納二極體保護MOSFET的柵極氧化物免受由過壓條件導致的操作。大多數P-FET的柵極至源極連接能夠處理15至20 V電壓,故齊納二極體必須設定為在此點之前鉗位。電阻將柵極下拉至地電平以導通P-FET,但也必須恰當選擇電阻的大小。電阻的阻抗不能太低,因為阻抗太低的情況下會讓過大電流渡過齊納二極體,因而滋生齊納二極體的功率耗散問題。然而,如果電阻的阻抗太大,在此情況下P-FET的導通可能不會如所傾向般牢靠,而這方案的構思是希望降低由漏極至源極兩端的電壓。(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)


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