适用于汽车冷起动应用的双开关降压/升压技术

一般来说，我们采用降压升压拓扑型拓扑来解决汽车应用中的宽阔输入电压范围及冷起动需求。本文将详细解释冷起动的要求，并介绍两种不同的解决方案。其中一种是传统的SPEIC拓扑，而另一种是较新的多开关降压/升压拓扑。

　　下文将阐述每种方案的优劣势，并且将着重指出双开关降压/升压拓扑相对于传统SEPIC拓扑的优势。此外，本文还会结合美国国家半导体最新推出的LM5118仿电流模式降压/升压控制器来作应用说明。

　　冷起动条件

　　起动汽车其实就是通过电力起动马达驱动内燃机。电力起动马达消耗动力由汽车电池提供。启动马达需要的大负载将导致电池电压逐渐下降。对于汽车起动来说，最坏的情况就是冷起动。这种情况发生在温度极低的环境中，低温环境会使汽车冷起动更加困难。当汽车处于气温极低的环境时，内燃机的转动阻力会升至最高，因此需要较大的机械力量才能发动起来。因此，电力起动马达所消耗的峰值电流将比在温暖环境下发动时更高。另一个在冷起动情况下的影响因素是汽车电池的电压会随着气温下降而下降，并且电池越旧则下降的幅度越大。

　　上述两个低温效应会使汽车电池的最小供电电压大幅下降。ISO7637标准制订了汽车于冷起动条件下的基本电压波形。图1表示出冷起动条件下的电压特性，其一般将电压定义为两个电压水平。首先，当电力起动马达开始转动去克服初始机械阻力时，供电电压便处于最低。接着机械系统运行起来，所需的电压也随之增大。最后，当电力起动马达被关闭后，系统电压便会返回正常水平。

一般来说，我们采用降压升压拓扑型拓扑来解决汽车应用中的宽阔输入电压范围及冷起动需求。本文将详细解释冷起动的要求，并介绍两种不同的解决方案。其中一种是传统的SPEIC拓扑，而另一种是较新的多开关降压/升压拓扑。

　　下文将阐述每种方案的优劣势，并且将着重指出双开关降压/升压拓扑相对于传统SEPIC拓扑的优势。此外，本文还会结合美国国家半导体最新推出的LM5118仿电流模式降压/升压控制器来作应用说明。

　　冷起动条件

　　起动汽车其实就是通过电力起动马达驱动内燃机。电力起动马达消耗动力由汽车电池提供。启动马达需要的大负载将导致电池电压逐渐下降。对于汽车起动来说，最坏的情况就是冷起动。这种情况发生在温度极低的环境中，低温环境会使汽车冷起动更加困难。当汽车处于气温极低的环境时，内燃机的转动阻力会升至最高，因此需要较大的机械力量才能发动起来。因此，电力起动马达所消耗的峰值电流将比在温暖环境下发动时更高。另一个在冷起动情况下的影响因素是汽车电池的电压会随着气温下降而下降，并且电池越旧则下降的幅度越大。

　　上述两个低温效应会使汽车电池的最小供电电压大幅下降。ISO7637标准制订了汽车于冷起动条件下的基本电压波形。图1表示出冷起动条件下的电压特性，其一般将电压定义为两个电压水平。首先，当电力起动马达开始转动去克服初始机械阻力时，供电电压便处于最低。接着机械系统运行起来，所需的电压也随之增大。最后，当电力起动马达被关闭后，系统电压便会返回正常水平。

为了在宽阔的输入电压范围下提供高精确度的输出电压调节，必须用适当的控制方法驱动两个开关MOSFET，以便为降压与降压/升压模式之间提供一个顺畅的过度。该控制器可根据输入输出的条件以三种不同的模式运行：

　　1.降压操作 Vin >Vout：假如Vin 大于Vout一个足够的份量，调节器便会以一个传统的降压稳压器形式来运行。在这模式下，降压转换函数为Vout/Vin = D，其中D是Q1的占空比，而单纯的降压运行模式可确保得出最优的效率及调节效果。

　　当Vin 相对Vout下降至占空比接近70%时，升压开关便会以一个最小的占空比被激活，使调节器进入一个软降压/升压模式(图3a)。

2.降压/升压操作 Vin≈Vout：随着Vin进一步降低至接近Vout，降压开关的占空比将会下降，与此同时升压开关的占空比则上升。这也使降压运行模式可以顺畅转换到升压运行模式。
3.降压/升压操作 VinVout：随着Vin进一步下降低于Vout，降压与升压开关的占空比将会相同。其时，转换器会以一个全降压/升压模式来运行，而降压/升压转换函数为Vout/Vin = D/(1-D)。其中D是开关MOSFET的Q1及Q2占空比(图3b)。

　　配合这种运行模式，输出电压便可于Vin接近Vout时继续维持稳定，原因是期间没有发生电压突变，只是从降压与升压模式之间出现一个渐进的转换。

　　仿峰值电流模式控制方案

　　为了确保输出电压可在宽阔的输入电压范围下进行调节，必须采用PWM电流模式控制方案。原因是电流模式控制可提供固有的线路前馈、逐周期性的电流限制及简单闭环补偿等特点。