車載啟停穩壓器優化設計

束驍驊

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

隨著家用汽車的普及，汽車投放量的逐年增加，汽車尾氣逐漸成為影響大氣污染的主要因素，因此控制汽車油耗以降低尾氣排放成了當今世界各大汽車廠的一項重要研究課題。帶有啟停功能的汽車因具有一定的節油能力，且開發成本較低，成了當前流行的汽車節油解決方案。車載啟停穩壓器用于汽車啟停功能的電壓穩定，給需要穩定電壓的用電器提供輸入電源，使得用電器在汽車啟停過程中穩定工作，滿足用戶對于車載顯示終端在車輛啟動過程中不允許屏幕閃動的使用品質和舒適度的要求。車載啟停穩壓器不僅給用戶帶來良好的駕駛體驗，而且保護車載顯示終端免受電壓突降的沖擊。車載啟停穩壓器優化設計的特點在于無機械噪聲、效率提升和提供安全冗余可靠性設計，且易于實現、可靠性高、成本低。

1 傳統車載啟停穩壓器電路設計

車輛在啟動過程中，電池電壓驟降，車載電子產品都要經過由于汽車啟動、電池電壓驟降帶來的負載沖擊電流。車載啟停穩壓器的作用是在汽車啟動過程中穩定輸出電壓，給必須要穩定電壓的用電器供電，讓其工作不受汽車啟動帶來的電壓波動的影響。

傳統穩壓電源Boost電路采用肖特基二極管整流方式，當電池電壓下降到6V時，如果負載功率過大 （200W），電池端的沖擊電流將達到40A以上，此時肖特基元件整流最大30A可以勉強支撐幾秒短時間的穩壓輸出，之后輸出模式切換到旁路模式供電，但如果旁路模式處于失效狀態 （開路），此時供電回路由Boost模塊繼續供電，負載電流經肖特基元件供到負載端使用；但當長時間大功率電流經過肖特基后，由于肖特基的壓降大，功率損耗大，發熱量大，故易導致肖特基元件擊穿開路，此時負載端無電壓供電，車輛負載設備將不能工作，如果穩壓器在車輛上供電于ECU等車輛控制模塊，出現上述狀況后，ECU無法供電會導致車輛不能行駛，影響用戶的使用，車輛出現安全隱患，嚴重時在高速行駛會影響人身安全。

鑒于以上問題，現有技術中急需要一種可以有效地防止車輛配有啟停穩壓器產品功能的安全冗余可靠性設計，既能滿足穩定汽車啟動時電池電壓的波動，同時也能滿足由Boost回路給負載的電路長期供電的功能，而不會導致電子元器件損壞，影響車輛行駛功能，而且電路易于實現，可靠性高且成本低的啟停穩壓電路。

2 車載啟停穩壓器優化設計

車載穩壓電源從汽車蓄電池取電，先進行EMC電磁濾波，然后對輸入沖擊電壓進行前級防護，最終得到干凈的輸入電壓。輸入電壓進行升壓變換，經過同步整流后，進行濾波，得到穩定的輸出電壓經輸出保護模塊至負載。車載穩壓電源由前級保護電路、DC-DC電源轉換模塊以及電源輸出保護電路組成。

1）前級電路包含了抗瞬態電壓干擾電路和防止電源正負極反接電路［1］。

①抗瞬態電壓干擾電路：通過前級瞬態抑制TVS二極管過濾高壓毛刺，消除外部干擾源的影響。瞬態的大電壓輸入能量被TVS二極管轉化為熱量吸收，從而起到抗瞬態電壓干擾的保護作用。TVS二極管是一種高效的電路保護器件，在規定的反向應用環境條件下，承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗可立即降至很低的導通值，允許大電流通過，并將電壓鉗制在預定水平，從而有效地避免電子線路中的精密元器件受到損壞。TVS二極管與常見的穩壓二極管的工作原理類似，如果高于標志上的擊穿電壓，TVS二極管就會導通；與穩壓二極管相比，TVS二極管具有更高的電流導通能力［2］。

②防止電源正負極反接電路：防止電源正負極反接電路采用線性穩壓電路實現，避免電源反接無操作造成的破壞。線性穩壓電路的工作原理是對輸出電壓進行實時采樣，并以采樣電壓進行負反饋，來調節輸出管的動態電阻和壓降而使輸出電壓保持穩定。輸入電壓下降或負載電流增大而使輸出電壓產生下跌，這時候穩壓電路就會通過上述的一系列動作（采樣、調整、負反饋）使輸出管的電阻減小，可使管壓降也減少從而在很大程度上抵消了使輸出電壓下降的那些因素的影響，確保輸出電壓基本穩定。

2）本項目產品的DC-DC電源轉換模塊采用寬壓電源輸入的DC-DC模塊，適應寬幅電源輸入，DC-DC模塊內置輸入濾波器電路，以確保輸入電源電壓的穩定性［3-4］。

3）本項目產品的電源輸出保護電路在發生電源輸出負載短路時采用PTC熱敏電阻進行過流保護。PTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導體電阻，當超過一定的溫度時，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高［5］。

本項目產品的內部電路主要由穩壓電路、旁路電路和控制電路3個電路模塊構成。控制電路的MCU通過控制信號來控制兩組電路 （旁路/穩壓電路）在車輛發動機不同工況下，快速進行工作模式的自動切換，從而實現設計功能：其中穩壓電路工作在發動機啟動過程中；車輛啟動后，自動關閉穩壓功能，切換為旁路電路工作，使12V蓄電池電壓與用電器旁路直通。總電路原理框圖如圖1所示。

圖1 總電路原理框圖

3 本項目產品的關鍵技術

3.1 旁路電路方案與傳統方案對比

啟停穩壓器產品旁路電路的傳統方案采用繼電器，在進行穩壓工作時，繼電器的觸點切換會產生無法消除的機械噪聲問題。

另外，繼電器作為機械開關，受各方面因素制約：①開關速度慢：最大時間在ms級；②開關次數受限制：壽命短，一般只能滿足10萬次；③觸點阻抗大，同時驅動線圈也有較大功耗，導致旁路時空載電流大，旁路效率較低。

本項目產品采用新型的MOS管方案，MOS管作為電子開關相比繼電器方案，優勢明顯，對比如下。

1）開關速度快：開關動作時間約在ns級，實現快速控制。

2）耐壓和耐流滿足設計要求時，開關次數不受限制。

3）內阻低，損耗小，旁路效率高。

3.2 穩壓電路整流電路與傳統方案對比

啟停穩壓器產品穩壓電路選用Boost電源拓撲，整流電路的傳統方案采用普通二極管整流，當輸出電流較大時，由于二極管存在約0.7V的正向導通壓降，流過較大電流時將會產生較高的功率損耗，大大降低穩壓電路的整體轉換效率。

本項目產品采用新型的MOS管同步整流方案，由于MOS管內阻極低，大電流導致的功率損耗很小，比傳統二極管方案可將效率提升至少5%。

4 主要技術指標

1）工作電壓范圍：6～16V DC。

2）穩壓輸出電壓：12V DC±0.5。

3）額定輸出功率：16.7A（約200W）。

4）保護方式：輸入電壓欠壓、過壓，極性反接保護；輸出過壓、過載保護；過溫保護。

5 結束語

本車載啟停穩壓器優化設計在旁路電路設計上采用功率MOSFET的方案，在進行旁路和穩壓電路切換時，功率MOS管方案在電路切換時不會有任何機械噪聲，給客戶帶來更舒適的駕駛體驗；在主電路的整流電路設計方案上，采用功率MOS管的同步整流方案，大電流所產生的硬損耗幾乎可以忽略不計，使產品的總體轉換效率至少可以提高約5%，且在旁路電路損壞的情況下，還可以替代旁路長期供電，而不會導致電子元器件損壞，從而延長了零件的使用壽命和減少故障率。