時(shí)間:2025-07-21 16:28:21來源:21ic電子網(wǎng)
汽車電子系統(tǒng)對 DC/DC 降壓變換器有著多方面的嚴(yán)格要求。首要的便是高效率,這能夠顯著延長汽車電池的使用時(shí)長,降低系統(tǒng)的功耗。因?yàn)樵谄囘\(yùn)行過程中,諸多電子設(shè)備如車載信息娛樂系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等都依賴于穩(wěn)定的電源供應(yīng),高效的 DC/DC 降壓變換器可減少電池電量的不必要損耗,優(yōu)化系統(tǒng)的能量利用。同時(shí),高開關(guān)頻率也備受青睞,其優(yōu)勢在于能夠使用較小的功率電感和輸出濾波電容,這不僅能有效減小系統(tǒng)的體積,提升緊湊性,還能降低成本。以車載電子設(shè)備的集成化趨勢來看,更小的電源模塊體積能為其他功能模塊騰出更多空間,有利于汽車內(nèi)部空間的合理布局。
不過,高開關(guān)頻率并非完美無缺,它會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作效率降低。這是由于隨著開關(guān)頻率升高,功率管的開關(guān)損耗急劇增加,同時(shí)電感和電容的高頻寄生效應(yīng)也愈發(fā)明顯,這些因素共同作用,使得系統(tǒng)整體效率下降。因此,在設(shè)計(jì)汽車電子應(yīng)用的 DC/DC 降壓變換器時(shí),必須在開關(guān)頻率和工作效率之間進(jìn)行謹(jǐn)慎的權(quán)衡與折衷處理。
DC/DC 降壓變換器的最高開關(guān)頻率受到諸多因素的限制,包括 DC/DC 的最高輸入電壓、最低輸出電壓以及功率管的最小開啟時(shí)間。從理論層面而言,其極限值可通過特定公式計(jì)算得出。例如,當(dāng)開關(guān)管要求的最小導(dǎo)通時(shí)間固定時(shí),低占空比的情況就需要更低的開關(guān)頻率來保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。同樣,低開關(guān)頻率能夠容許更低的輸出輸入電壓比值。這背后的主要原因在于 PWM 控制器存在最小的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間,如果導(dǎo)通時(shí)間或截止時(shí)間過短,功率管 MOSFET 將無法正常開啟或關(guān)斷,從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
通常情況下,DC/DC 電源芯片的輸入電壓存在額定的工作電壓范圍。在實(shí)際應(yīng)用中,最小的實(shí)際輸入工作電壓一般由最大的占空比決定,而在輸出電壓恒定的條件下,最大的實(shí)際輸入工作電壓則由 PWM 控制器的最小占空比決定。部分 DC/DC 電源芯片通過一個(gè)管腳對地接電阻的方式來設(shè)定開關(guān)工作頻率。倘若能夠在輸入電壓增加時(shí)降低開關(guān)頻率,那么就可以擴(kuò)大占空比的范圍,進(jìn)而在保證輸出電壓精度的前提下,擴(kuò)大輸入電壓的適用范圍。但在高輸入電壓下,頻率降低會(huì)導(dǎo)致電感值一定時(shí),輸出的電流和電壓紋波增加,并且頻率在較寬范圍內(nèi)變化時(shí),電感難以優(yōu)化工作,環(huán)路的補(bǔ)償也無法達(dá)到最佳狀態(tài)。為此,需要采取相應(yīng)措施來限制頻率的變化范圍,例如增加特定的電阻和穩(wěn)壓管。然而,外接電阻的方法較為復(fù)雜,需要系統(tǒng)工程師進(jìn)行細(xì)致的計(jì)算,并且容易受到寄生參數(shù)的影響。相比之下,通過內(nèi)部電路檢測輸入電壓的變化,自動(dòng)調(diào)整開關(guān)頻率,能夠極大地簡化應(yīng)用電路設(shè)計(jì),提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
在 DC/DC 降壓變換器的設(shè)計(jì)中,電流控制模式相較于電壓控制模式具有獨(dú)特的優(yōu)勢,因而得到了更為廣泛的應(yīng)用。在電流控制模式下,DC/DC 轉(zhuǎn)換器以近乎無窮大的開環(huán)環(huán)路增益來調(diào)節(jié)輸出電流,其輸出級可近似看作一個(gè)高輸出阻抗的電流源。在電流控制模式的 DC/DC 降壓變換器中,快速高增益的電流環(huán)路與慢速的電壓控制回路相互嵌套。電感電流與斜坡補(bǔ)償后的鋸齒波合成的信號(hào),會(huì)與電壓誤差信號(hào)進(jìn)行比較,從而產(chǎn)生控制信號(hào)。當(dāng)輸出電壓出現(xiàn)跌落時(shí),控制功率管會(huì)迅速打開,向負(fù)載提供更多的電流,以維持輸出電壓的穩(wěn)定。這種模式將輸出轉(zhuǎn)變?yōu)楹懔髟摧敵?,使? DC/DC 的輸出級從電壓模式下的雙極點(diǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O點(diǎn)系統(tǒng),大大降低了補(bǔ)償?shù)碾y度,有效提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
振蕩器作為 DC/DC 集成電路中的關(guān)鍵組成部分,具有廣泛的用途。其產(chǎn)生的振蕩時(shí)鐘不僅為內(nèi)部電路提供開關(guān)脈沖的同步信號(hào),還能衍生出鋸齒波,供 PWM 比較器使用,是電壓模式和電流模式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器不可或缺的基本單元。在設(shè)計(jì)振蕩器電路時(shí),采用恒流充放電結(jié)構(gòu)是一種常見且有效的方式。通過合理設(shè)置充電電流和放電電流,能夠精確控制振蕩器的時(shí)鐘頻率。當(dāng)輸出輸入電壓比值低于一定值時(shí),表明此時(shí)控制脈沖的占空比很低,效率下降。此時(shí),低比值保護(hù)電路會(huì)發(fā)揮作用,產(chǎn)生 OSP 信號(hào),進(jìn)而降低整體電路的頻率。通過這種方式,可以提高電源的轉(zhuǎn)換精度,確保 DC/DC 降壓變換器在不同工作條件下都能保持較高的效率。
在汽車電子應(yīng)用中,輸入電壓存在多種不同的電壓軌,如 12V、24V 和 36V 等。這就要求 DC/DC 降壓變換器具備良好的適應(yīng)性,能夠在不同的輸入電壓條件下穩(wěn)定工作。以某款新能源汽車為例,其車載電子系統(tǒng)采用了自適應(yīng)頻率調(diào)制的 DC/DC 降壓變換器,該變換器能夠根據(jù)輸入電壓的變化自動(dòng)調(diào)整開關(guān)頻率,在不同的行駛工況下都能高效地為車內(nèi)電子設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。在城市擁堵路況下,汽車頻繁啟停,電池輸出電壓波動(dòng)較大,此時(shí)自適應(yīng)頻率調(diào)制技術(shù)使得 DC/DC 降壓變換器能夠快速響應(yīng)電壓變化,保持穩(wěn)定的輸出,確保車載電腦、車燈等設(shè)備的正常運(yùn)行。而在高速行駛時(shí),電池輸出電壓相對穩(wěn)定,變換器則能以最優(yōu)的頻率和效率工作,降低功耗,延長電池續(xù)航里程。
自適應(yīng)頻率調(diào)制 DC/DC 降壓變換器在汽車電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著汽車技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,對電源管理系統(tǒng)的要求將越來越高,自適應(yīng)頻率調(diào)制技術(shù)有望在更多的汽車電子設(shè)備中得到應(yīng)用,進(jìn)一步提升汽車的性能和可靠性。同時(shí),相關(guān)技術(shù)的研發(fā)也將不斷深入,例如在提高變換器的功率密度、降低成本、增強(qiáng)抗干擾能力等方面,都有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
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