如何在汽车电池电压下降时最大限度地减少预升压转换器下冲

1. 前言

混合动力电动汽车 (HEV) 中的启停系统通过在怠速期间停止发动机来帮助减少燃料消耗和排放，但只要发动机重新启动，电池电压就会下降。为了在电池电压下降期间为负载提供所需的最低电压，预升压转换器广泛用于汽车中。

表 1 显示了预升压转换器的典型要求。

表 1：预升压转换器规格

在这篇文章中，我将解释当电池电压下降时影响预升压转换器输出电压下冲的关键参数。

2.小信号分析

根据传统的小信号分析，影响输出下冲的重要参数有两个：转换器的环路响应和功率级的输出阻抗。表 2 显示了优化环路响应和输出阻抗的因素。

表 2：改善环路响应和降低输出阻抗的因素

3.大信号分析

除了小信号分析中的两个参数外，大信号分析中还有另外三个参数影响输出下冲：误差放大器到脉宽调制器 (PWM) 比较器的偏移、误差放大器源能力和唤醒延迟. 由于所有三个参数都依赖于器件，并且没有一个是用户可调或用户可编程的，因此在设计预升压转换器时，器件选择非常重要。

误差放大器到 PWM 比较器偏移

传统升压器件从误差放大器输出到 PWM 比较器的输入有大约 1.2V 的偏移（见图 1）。由于在误差放大器输出大于偏移电压之前器件无法开始开关，因此最小化该偏移是改善电池电压下降期间下冲的关键因素。

图 1：升压设备的控制器块

误差放大器源能力

有时，由于误差放大器的限制，下冲会增加。理想情况下，误差放大器的增益应该在典型的误差放大器工作范围内保持恒定，但如果误差放大器的输出能力不足，则增益会下降。

唤醒延迟

因为当电池电压在正常范围内时，预升压转换器通常会进入低静态电流 ( IQ ) 待机模式以最大程度地减少电池消耗，所以将设备从低 I Q待机模式唤醒需要一些时间。由于器件在唤醒之前无法开始切换，因此在较长的唤醒延迟期间可能会出现过度下冲。

LM5150-Q1 汽车升压控制器

LM5150-Q1 是一款 2.2MHz 汽车升压控制器，在待机模式下具有超低 I Q。该器件专为在启停系统中用作预升压转换器而设计，只有 0.3V 的偏移和强大的跨导误差放大器。唤醒延迟小于6μs，是业内最快的。

LM5150-Q1 器件是一种宽输入范围自动升压控制器。该器件适合用作预升压转换器，用于在汽车启动期间保持来自车辆电池的输出电压或在车辆电池丢失期间保持来自备用电池的输出电压。

LM5150-Q1 开关频率由一个电阻器设置为 220 kHz 至 2.3 MHz。快速切换 (≥ 2.2 MHz) 可最大限度地减少 AM 频段干扰，并允许较小的解决方案尺寸和快速瞬态响应。

当输入或输出电压高于预设的待机阈值时，LM5150-Q1 以低 I Q待机模式运行，并在输出电压低于预设的唤醒阈值时自动唤醒。

该器件瞬态进入和退出低 I Q待机模式，以延长轻负载时的电池寿命。单个电阻器可对目标输出调节电压和配置进行编程。其他特性包括低关断电流、升压状态指示器、可调节的逐周期电流限制和热关断。

图 2 是传统升压转换器与 LM5150-Q1 之间的比较。虽然使用传统升压转换的输出下冲很大，并且受唤醒时间长、偏移大和误差放大器源能力不足的影响很大，但使用 LM5150-Q1 的输出下冲很小并且最小化。传统升压转换器的参数设置为 1.2V 偏移、100µA 源电流限制、2mA/V 跨导误差放大器增益和 50µs 唤醒延迟。

图 2：电池电压下降期间的预升压输出电压（绿色显示的是传统升压转换器，红色显示的是 LM5150-Q1）

4.结论

预升压转换器的输出下冲受器件选择的影响。使用 LM5150-Q1 的输出下冲由于其小失调、大误差放大器源能力和快速唤醒时间而被最小化。