Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2016
Mark Scholten, ON Semiconductor
EDN Must reads
Для того чтобы сократить потребление топлива, многие автопроизводители внедряют функцию «старт-стоп» в транспортные средства следующего поколения, значительное количество которых уже можно встретить на дорогах. Эти системы выключают двигатель, когда автомобиль останавливается, и автоматически заводят его вновь, когда водитель переносит ногу с педали тормоза на педаль газа, или, в случае механической коробки передач, когда отпускается педаль сцепления. Это помогает снизить расход топлива при езде в условиях городского цикла в часы пик.
Подобные системы ставят разработчиков автомобильной электроники перед необходимостью решения специфических инженерных проблем, поскольку при перезапуске двигателя напряжение аккумуляторной батареи может проседать до 6.0 В, и даже ниже. Кроме того, в типичных электронных модулях имеются диоды, защищающие схему в том случае, если при запуске двигателя от аккумулятора другого автомобиля водители перепутают полярность проводов. На этом диоде падает еще 0.7 В от напряжения аккумулятора, и подключенным после него схемам остается не более 5.3 В. У входного напряжения 5-вольтовых источников питания, используемых пока большом количестве, просто не остается запаса, достаточного для нормальной работы.
Повышающий источник питания
В таком случае возможно использование повышающего преобразователя напряжения. Многие поставщики автоэлектроники сейчас устанавливают такие преобразователи на входах своих модулей, чтобы гарантировать их нормальную работу при провалах напряжения, создаваемых старт-стопными системами.
Как и все инженерные проблемы, эта имеет множество решений. Если напряжение аккумуляторной батареи падает только до 6 В, первым и простейшим решением будет найти LDO регулятор, способный работать при разности между входным и выходным напряжением менее 0.3 В. Такая схема подходит для модулей, потребляющих относительно небольшой ток, но быстро исчерпывает свои возможности по мере увеличения рабочего тока.
Альтернативой может служить замена стандартного диода с p-n переходом, используемого для защиты от неправильной полярности подключения батареи, либо диодом Шоттки, либо p-канальным MOSFET. Диод Шоттки, на котором падает примерно вдвое меньшее напряжение, чем на обычном выпрямителе, позволит увеличить запас по напряжению на несколько десятых вольта. Замена на диод Шоттки очень проста, поскольку обычно он может быть установлен непосредственно на те же контактные площадки печатной платы, которые предназначались для стандартного диода, не требуя ее перекомпоновки.
P-канальный MOSFET, однако, потребует внесения изменений в печатную плату, а также добавления некоторых дополнительных цепей.
 |
|
| Рисунок 1. | Схема защиты от обратной полярности подключения аккумуляторной батареи с p-канальным МОП-транзистором. |
На Рисунке 1 показаны три необходимых для этого компонента: p-канальный МОП-транзистор, стабилитрон и резистор. При выборе p-канального MOSFET необходимо учитывать напряжения, при которых ему придется работать, и требуемые токи нагрузки. Кроме того, важно принимать во внимание тепловые требования к системе, поскольку рассеиваемая MOSFET мощность пропорциональна произведению квадрата протекающего через него тока на сопротивление открытого канала. Стабилитрон защищает подзатворный окисел транзистора от пробоя при повышенном входном напряжении. Большинство p-канальных МОП-транзисторов рассчитано на максимальное напряжение между истоком и затвором от 15 до 20 В, поэтому напряжение пробоя выбранного стабилитрона должно находиться ниже этих значений. Резистор открывает p-канальный MOSFET, подтягивая к земле его затвор. Его сопротивление не должно быть слишком низким, чтобы чрезмерный ток не создавал для стабилитрона проблем с рассеиваемой мощностью. В то же время, очень большое сопротивление будет препятствовать полному включению транзистора, противореча основной идее этой схемы, заключающейся в минимизации падения напряжения между стоком и истоком.
Напряжение опускается ниже 5 В
Вполне вероятно, что для конкретного приложения потребуется либо одна из перечисленных выше схем, либо их комбинация. Но что будет, если фактическое входное напряжение упадет ниже 5 В? Некоторые производители исходят из того, что при «холодном старте» напряжение может проседать до 4.5 В. В этом случае необходим импульсный преобразователь для повышения входного напряжения. На Рисунке 2 показаны три наиболее распространенные схемы импульсных преобразователей напряжения: повышающий, повышающе-понижающий и SEPIC.
 |
|
| Рисунок 2. | Различные топологии повышающих преобразователей напряжения. |
В повышающем преобразователе используется одна индуктивность, один n-канальный МОП-транзистор, один диод и один конденсатор. Это самая простая конструкция, но ей присущи некоторые недостатки. Для этой схемы не существует способов защиты, поскольку при коротком замыкании нагрузки открывается прямой путь прохождения тока от входа к выходу. Кроме того, если входное напряжение станет больше, чем значение, установленное на выходе, ничто не будет препятствовать прямому прохождению входного напряжения на выход через индуктивность и диод.
К примеру, большинство электронных модулей для автомобилей должно подвергаться тестам на сброс нагрузки. В этих тестах генерируется всплеск напряжения, который прикладывается к входу схемы Vin. В повышающих преобразователях такие всплески проникали бы прямо на выход. Скажем, 40-вольтовый бросок напряжения распространялся бы по всем цепям, подключенным к шине Vout, а это означало бы, что все они должны быть способны выдерживать такое напряжение.
Еще одна возможность предоставляется схемой неинвертирующего повышающе-понижающего преобразователя. В ней используется только одна индуктивность и один конденсатор, но требуются два ключа и два диода. Однако схема позволяет разработчику защитить выход в ситуации, когда входное напряжение становится больше выходного. Помимо этого, она обеспечивает защиту от коротких замыканий выхода, что легко реализуется путем открывания первого ключа (МОП-1). Обратной стороной этой схемы является ее КПД, поскольку на двух диодах и двух ключах теряется большая мощность, что следует принимать во внимание.
Топология SEPIC (Single-Ended Primary-Inductor Converter) очень похожа на конфигурацию повышающего преобразователя, за исключением того, что в схеме появилась дополнительная индуктивность, подключенная к земле, и разделительный конденсатор. Отрицательной стороной этой схемы являются дополнительные компоненты, а положительной – отсутствие проблем с коротким замыканием выхода, поскольку последовательно с ним теперь стоит конденсатор, блокирующий прохождение постоянного тока. Входное напряжение преобразователей SEPIC также не оказывает влияния на выход, поэтому оно может быть как меньше, так и больше выходного. Необходимо подчеркнуть, любая из представленных импульсных схем все же требует цепи защиты от переполюсовки аккумуляторной батареи, поскольку для обратного тока всегда найдется путь через паразитный диод МОП-транзистора от земли обратно к входу.
Таким образом, при переходе на старт-стопную систему придется учитывать много сложных требований. В этой статье были затронуты лишь источники питания для электронных модулей, однако рассмотрения требует еще целый ряд вопросов. К примеру, при проседании напряжения будет меркнуть свет, как в салоне, так и снаружи автомобиля. И если мерцание освещения салона, хоть и может вызывать раздражение, но не представляет опасности, то свет стоп-сигналов и фар напрямую влияет на безопасность, что также диктует необходимость специальных подходов при разработке драйверов. К счастью, теперь для решения этих проблем есть достаточно средств.
