汽车电子系统降压型BUCK 变换器的设计技巧

系为：

　　由上式可知：t OFF（MIN）一定时，高的开关频率将增加实际的最小的输入工作电压。若要更低的输入工作的电压，可以使用低的开关频率。在一些同步BUCK 控制器中，当输入和输出的压差降低到一定的值时，系统将进入占空比为100%的全导通或LDO 控制方式。

　　2瞬态最大峰值输入电压

　　随着电池供电设备越来越多进入移动应用领域，人们使用汽车的点烟器接通电源以使电池组在汽车行驶期间储存电能甚至再充电。但接通前，注意：在接通到极恶劣的电源上，汽车内的主电源电缆产生一些潜在的瞬变，包括负载突降及电压电压倍增。负载突降是电池电缆松动的结果。当电缆连接中断时，交流发电机中的磁场会会产生一个高达60V 的正尖峰电压，它能在几百毫秒中衰变。电池电压倍增是24V跳跃式起动时性能比12V 更快让冷车发动的结果。

　　图2 是保护DCDC 转换器不受汽车电源线损坏的最简单直接的方法。

　　瞬态抑制器在负载突降期间对输入电压进行箝位。注意：瞬态抑制器不应在双倍电池电压操作时导通，但仍必须将输入电压箝位在转换器的击穿电压之下。

图2：输入TVS 保护电路

　　陶瓷电容的尺寸小，阻抗低，工作的温度范围宽，很适合应用汽车电子中BUCK 变换器的输入端旁路电容。但是在BUCK 变换器的输入端插入工作的电源时，即热插入，如汽车的点烟器，这些陶瓷电容会产生应用的问题：低损耗的陶瓷电容与连接线的杂散电感由低阻抗的电源形成欠阻尼谐振环，产生振荡，在BUCK 变换器的输入端产生二倍的输入电源电压的尖峰，从而超过BUCK 变换器的输入端允许的额定电压，损坏器件。在这种工作条件下，必须设计输入的吸收网络阻止输入电压的过冲尖峰。下面的的波形展示了BUCK 变换器由一根6 英尺的双绞线连接到24V 电源时的波形。图3 是输入仅加4.7uF 陶瓷电容的响应。输入电压的振铃的峰值为50V，输入电流的峰值为26A。

图3：输入仅加4.7uF陶瓷电容的响应

　　使用阻尼振荡可以降低峰值的电压，形成阻尼振荡有二个方法：①输入的陶瓷电容增加一个串联电阻；②使用电解电容。铝电解电容有高的ESR，可以形成阻尼，减小振荡的过冲；其 电容可以滤除低频的纹波，此外，对系统的效率稍有提高。只是其体积相对较大。图4为一个22uF的电解电容和一个4.7uF的陶瓷电容并联加在输入端时的响应，陶瓷电容滤除高频纹波。输入电压的峰值明显降低。

图4：输入为22uF电解电容并联4.7uF陶瓷电容的响应

　　在输入端加一个0.7欧姆的串联电阻也可以减小电压过冲，同时减小峰值的电流，0.1uF小的陶瓷电容滤除高频纹波。如图5（a）所示。

　　与电解电容方法相比，这种方法体积小成本低，在高的输入电压时对系统的效率影响并不大。但输入电压相对较低时，系统的效率略有降低。

（a）

(b)

图5：输入加串联电阻的响应

　　3 散热设计

　　功率MOSFET 选择标准中包含导通电阻R DS （ON ） ，密勒电容C MILLER ，输入电压和最大电压和最大输出电流。CMILLER 可由MOSFET 的产品数据手则给出的栅极充电曲线近似求出。C MILLER 等于栅极电荷沿横轴的增加，而曲线大约由VDS 的规定变化水平分割，然后由此结果与应用中施加的VDS 和栅极的充电曲线规定VDS 比值相乘。工作CCM 时高端和低端的MOSFET 占空经由下式给出：

　　主开关管占空比：D= VOUT /VIN。

　　同步开关管占空比：V IN -VOUT /VIN 。

　　最大输出电流条件下MOSFET 的功耗由下式给出：

　　式中：δ是R DS （ON ） 的温度系数，R DR约为4 欧姆，是在MOSFET 密勒门限电压条件下有效驱动电阻，V THMIN是典型的MOSFET 的最小门限电压。

　　两个MOSFET 均具有I2R 损耗，而高端N 沟道的公式中包含一个用于计算转换损耗的附加项，这在高输入电压条件最大。当VIN20V时采用较大的MOSFET 通常可提高大电流的效率，而当VIN>20V 时转换损耗迅速增加。这时采用具有较高R DS （ON ）器件和较低C MILLER实际上可提供更高的效率。同步MOSFET 在高输入电压下，当高端工作于低占空比时或短路期间，同步管接近100%时间里处于导通状态时，此时损耗最大。1+δ 项通常以一个归一化的R DS （ON ） 与温度的关系曲线形式提供给MOSFET，但对于低压MOSFET，δ =0.005/℃可被用作一个近似值。

　　肖特基二极管在两个功率MOSFET 导通期间的死区导通，可以防止低端MOSFET 的体内二极管导通，在死区时间储存电荷，形成反向恢复。在高VIN 条件下会导致效率减小至少3%。由于流过的平均电流相对较小，因此采用1 或3A 的肖特基二极管是一个较好的方案。

　　较大的二极管因其具有的结电容较大故会产生额外的转换损耗。

效率与芯片的最高工作温度相关。汽车电子所用的芯片通常为