新方案解决启停系统电压不足问题

为了限制油耗，一些汽车制造商在其新一代车型中应用了“启动/停止”功能。当汽车停下来时，这些创新的新系统会关闭发动机；

当驾驶员的脚从制动踏板移到油门踏板时，发动机将自动重新启动。这有助于减少城市驾驶和走走停停交通高峰时段的油耗。

然而，这样的系统给汽车电子设备带来了一些独特的工程挑战，因为当发动机重新启动时，电池电压可能会降至6.0伏甚至更低。此外，典型的电子模块包括一个反向极性二极管，以在汽车跨接启动时跨接电缆反向的情况下保护电子电路。二极管使电池电压再下降0.7伏，因此下游电路的电压仅为5.3伏或更低。由于许多模块仍然需要5V电源，因此电源没有足够的余量来正常工作。

一种解决方案是使用升压电源。升压电源接受较低的输入电压，并在输出端产生较高的电压。目前，供应商正在电子模块的前端使用某种类型的升压电源，以便在启动/停止系统引起的压降下正常工作。在下文中，我们将研究设计者可以用于这些启动/停止系统的不同方案，包括低压差（LDO）调节器、电池反向保护方案和各种升压选项。

像大多数工程问题一样，有很多方法可以解决它们。如果电池电压在输入端仅降至6 V，那么第一个也是最简单的解决方案是仅探索<：具有0.3 V裕度的极低压降线性稳压器。该方案适用于电流要求较低的模块，但对于电流要求较高的模块，设计者需要更多的选择。

另一种方案是使用肖特基二极管或P沟道MOSFET来取代前端用于电池反向保护的标准P-N结二极管。肖特基二极管的正向电压降大约是标准整流器的一半，因此它增加了十分之几伏的电压裕度。切换到肖特基二极管足够简单和直接，因为它通常适用于与标准二极管相同的PCB焊盘，而无需改变布线。然而，P沟道MOSFET（简称P-FET）需要PCB修改和一些附加电路。

图1：使用P沟道MOSFET提供电池反向保护

图1显示了所需的三个组件，包括P-FET、齐纳二极管和电阻器。有必要选择具有适当尺寸的P-FET，以便它能够处理施加到模块输入的电压和所需的负载电流。此外，考虑系统的散热要求很重要，因为FET的功耗等于电流的平方乘以FET的导通电阻。齐纳二极管保护MOSFET的栅极氧化物不受过电压条件引起的操作的影响。大多数P-FET栅极到源极连接可以处理15到20伏的电压，因此齐纳二极管必须在这一点之前设置为箝位。电阻器将栅极下拉到地电平以导通P-FET，但电阻器的大小也必须正确选择。电阻器的阻抗不应太低，因为如果阻抗太低，过多的电流将通过齐纳二极管，这将滋生齐纳二极管的功耗问题。然而，如果电阻器的阻抗太大，则P-FET的导通可能不如预期的那样可靠，并且该方案的想法是降低从漏极到源极的电压。

上述方案之一或某些方案的组合可能适用于给定的应用。但是，如果输入电压实际下降到5V以下，会发生什么？一些制造商正在检查在冷起动条件下输入电压是否会降至4.5伏。三种最常见的开关稳压器是升压电源、降压/升压电源和单端初级电感转换器（SEPIC）电源。

图2：不同升压电源的拓扑结构

升压电源使用电感器、N沟道MOSFET（N-FET）、二极管和电容器。它的设计是最简单的，但也有一些缺点。如果输出短路，就没有办法保护它，因为在输入和输出之间有一个直接通道。此外，当输入电压上升到输出电压设定点以上时，没有办法阻止输出电压上升，因为输入电压只会通过电感器和二极管到达输出。

例如，汽车中的大多数模块都必须通过负载卸载测试。该测试产生一个电压尖峰并将其施加到输入电压。在升压电源中，此电压尖峰将传播到输出端。因此，……

如果40V尖峰沿线路传播，则连接到输出电压的任何电路都必须能够处理这样的高电压。

开关稳压器的另一种可能选择是非反相降压/升压设计。这种设计只使用一个电感器和一个电容器，但需要两个开关和两个二极管。但这种方案确实使设计者能够避免当输入电压上升到输出电压以上时输出电压上升。它还可以通过断开第一开关（FET1）来提供输出短路保护。这种设计的不足之处在于其能量效率，因为需要考虑两个二极管和两个开关的损耗。

SEPIC的设计在布线上与直接升压转换器非常相似，但不同之处在于这种设计增加了收发器电感和直流阻塞电容器。这种设计的缺点是增加了电感器和电容器，但优点是不再存在与输出短路有关的任何问题，因为此时DC阻断电容器与输出串联。通过这种方式，输出不再受到输入电压的影响，因此它可以低于或高于输入电压。

需要指出的是，尽管上面列出了所有开关拓扑，但仍然需要电池反向保护方案，因为反向电流可能通过FET背面的体二极管从地电平流到输入电压。

总之，在启动/停止交流发电机系统的设计中有许多问题需要考虑。本文只讨论了电子模块的电源问题，但还有其他问题需要解决。例如，当电压下降时，内部照明和外部照明都将变暗。车内照明的闪烁问题也很烦人，但并不重要，刹车灯和前照灯影响安全，因此电源需要保持这些车的内部/外部照明明亮并持续工作。有利的是，目前市场上有这些问题的解决方案。为了限制油耗，一些汽车制造商在其新一代车型中应用了“启动/停止”功能。当汽车停下来时，这些创新的新系统会关闭发动机；

当驾驶员的脚从制动踏板移到油门踏板时，发动机将自动重新启动。这有助于减少城市驾驶和走走停停交通高峰时段的油耗。

然而，这样的系统给汽车电子设备带来了一些独特的工程挑战，因为当发动机重新启动时，电池电压可能会降至6.0伏甚至更低。此外，典型的电子模块包括一个反向极性二极管，以在汽车跨接启动时跨接电缆反向的情况下保护电子电路。二极管使电池电压再下降0.7伏，因此下游电路的电压仅为5.3伏或更低。由于许多模块仍然需要5V电源，因此电源没有足够的余量来正常工作。

一种解决方案是使用升压电源。升压电源接受较低的输入电压，并在输出端产生较高的电压。目前，供应商正在电子模块的前端使用某种类型的升压电源，以便在启动/停止系统引起的压降下正常工作。在下文中，我们将研究设计者可以用于这些启动/停止系统的不同方案，包括低压差（LDO）调节器、电池反向保护方案和各种升压选项。

像大多数工程问题一样，有很多方法可以解决它们。如果电池电压在输入端仅降至6 V，那么第一个也是最简单的解决方案是仅探索<：具有0.3 V裕度的极低压降线性稳压器。该方案适用于电流要求较低的模块，但对于电流要求较高的模块，设计者需要更多的选择。

另一种方案是使用肖特基二极管或P沟道MOSFET来取代前端用于电池反向保护的标准P-N结二极管。肖特基二极管的正向电压降大约是标准整流器的一半，因此它增加了十分之几伏的电压裕度。切换到肖特基二极管足够简单和直接，因为它通常适用于与标准二极管相同的PCB焊盘，而无需改变布线。然而，P沟道MOSFET（简称P-FET）需要PCB修改和一些附加电路。

图1：使用P沟道MOSFET提供电池反向保护

图1显示了所需的三个组件，包括P-FET、齐纳二极管和电阻器。有必要选择具有适当尺寸的P-FET，以便它能够处理施加到模块输入的电压和所需的负载电流。此外，考虑系统的散热要求很重要，因为FET的功耗等于电流的平方乘以FET的导通电阻。齐纳二极管保护MOSFET的栅极氧化物不受过电压条件引起的操作的影响。大多数P-FET栅极到源极连接可以处理15到20伏的电压，因此齐纳二极管必须在这一点之前设置为箝位。电阻器将栅极下拉到地电平以导通P-FET，但电阻器的大小也必须正确选择。电阻器的阻抗不应太低，因为如果阻抗太低，过多的电流将通过齐纳二极管，这将滋生齐纳二极管的功耗问题。然而，如果电阻器的阻抗太大，则P-FET的导通可能不如预期的那样可靠，并且该方案的想法是降低从漏极到源极的电压。

上述方案之一或某些方案的组合可能适用于给定的应用。但是，如果输入电压实际下降到5V以下，会发生什么？一些制造商正在检查在冷起动条件下输入电压是否会降至4.5伏。三种最常见的开关稳压器是升压电源、降压/升压电源和单端初级电感转换器（SEPIC）电源。

图2：不同升压电源的拓扑结构

升压电源使用电感器、N沟道MOSFET（N-FET）、二极管和电容器。它的设计是最简单的，但也有一些缺点。如果输出短路，就没有办法保护它，因为在输入和输出之间有一个直接通道。此外，当输入电压上升到输出电压设定点以上时，没有办法阻止输出电压上升，因为输入电压只会通过电感器和二极管到达输出。

例如，汽车中的大多数模块都必须通过负载卸载测试。该测试产生一个电压尖峰并将其施加到输入电压。在升压电源中，此电压尖峰将传播到输出端。因此，……

如果40V尖峰沿线路传播，则连接到输出电压的任何电路都必须能够处理这样的高电压。

开关稳压器的另一种可能选择是非反相降压/升压设计。这种设计只使用一个电感器和一个电容器，但需要两个开关和两个二极管。但这种方案确实使设计者能够避免当输入电压上升到输出电压以上时输出电压上升。它还可以通过断开第一开关（FET1）来提供输出短路保护。这种设计的不足之处在于其能量效率，因为需要考虑两个二极管和两个开关的损耗。

SEPIC的设计在布线上与直接升压转换器非常相似，但不同之处在于这种设计增加了收发器电感和直流阻塞电容器。这种设计的缺点是增加了电感器和电容器，但优点是不再存在与输出短路有关的任何问题，因为此时DC阻断电容器与输出串联。通过这种方式，输出不再受到输入电压的影响，因此它可以低于或高于输入电压。

需要指出的是，尽管上面列出了所有开关拓扑，但仍然需要电池反向保护方案，因为反向电流可能通过FET背面的体二极管从地电平流到输入电压。

总之，在启动/停止交流发电机系统的设计中有许多问题需要考虑。本文只讨论了电子模块的电源问题，但还有其他问题需要解决。例如，当电压下降时，内部照明和外部照明都将变暗。车内照明的闪烁问题也很烦人，但并不重要，刹车灯和前照灯影响安全，因此电源需要保持这些车的内部/外部照明明亮并持续工作。有利的是，目前市场上有这些问题的解决方案。

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