了解如何让汽车电池稳定的运行更长时间

1.前言

汽车系统旨在承受温度的广泛变化、极端输入瞬变和其他干扰。我们汽车中的几乎所有电子设备都经过严格的测试，需要满足汽车电子委员会 (AEC) 规定的质量系统标准和组件认证。大多数汽车系统由 12V 铅酸电池供电，我们可能知道，电池电压在我们可以想象的几乎所有条件下都会发生变化：环境温度、负载条件、年龄；这个清单不胜枚举。  

在正常工作条件下，电压可以在 9V 到 16V 之间变化。在某些操作条件下，电压可能摆动得更远。内燃机点火时，12V铅酸蓄电池必须为启动电机的绕组提供足够的能量，短时间提供大量电流，导致蓄电池电压急剧下降。极低的温度会导致电池电压降得更低。这种现象称为冷车发动。典型的测试波形如图 1 所示，其中电压可降至 3V。 

图 1：汽车电池冷启动电压曲线

2.汽车电压选择

汽车电器的电压较低，一般有6V、12V、24V三种额定电压，现代汽车普遍采用12V电源。一些重型汽车采用24V电源，有的重型汽车只是柴油机起动装置采用24V电源，其他用电设备仍为12V电源，通过电源转换开关来改变电源的电压。采用低压的主要优点是安全、电源简单、蓄电池单格数较少。

汽车采用直流电是因为需要用蓄电池作为发动机电力启动电源，蓄电池电能消耗后也必须用直流电充电，因此汽车上电气系统一直都是直流电。

现代汽车和工业系统需要稳定的电压源，即使系统输入电压从一个极端变到另一个极端，电压源也须保持稳定。在汽车系统中，冷启动、动态燃油管理系统中的气缸停用/激活或发动机负载显著改变可能会导致输入电压发生明显变化。同样，在工业应用中，线路电压不足是一个问题，大功率设备的电机开启会导致输入电压严重下降。

即便电源转换系统无法在低压输入下为负载提供所需全部功率，但无论输入电压电平如何，这些系统中的许多系统都必须保持运行状态。例如，广泛使用的高压升压和降压转换器采用具有标准栅极电平的高压MOSFET。当输入下降时，偏置电压应保持在10 V以上，以使栅极驱动器维持正常工作。无论输入条件如何，关键的数字控制和信息系统都应具有偏置电压并保持运作。

如果预计输入电压不会降至所需的偏置电平以下，并且设计目标是使用外部偏置电源来最大程度地降低开关控制器的功耗，那么可以采用简单的降压转换器。

如果输入电压降至所需的偏置电平以下，此设计的性能展望将发生显著变化。在这种情况下，仅使用降压转换器是不够的，因为当输入降至所需的输出以下时，输出电压会跟随输入。

3.设计方案

假设我们正在设计一个直接由这个 12V 铅酸电池供电的 12V 汽车音响系统。我们如何让音频系统以恒定的输入电压供电？请记住，如上所述，电池电压的范围可以从 3V 到 16V。降压转换器会起作用吗？不。当电池电压低于 12V 时，音频系统的输入将下降，可能导致掉电情况。让我们试试升压转换器。不。当电池电压高于 12V 时，音频系统的输入会升高，可能会导致过压情况，从而损坏我们的电子设备。我们需要的是一个升降压转换器。顾名思义，无论输入电压如何，这种拓扑结构都可以降压（降压）或升压（升压）至稳定的输出电压。最重要的是，尽管电压波动，它仍能提供恒定的能量。图 2 显示了一个简单的级联升压至降压拓扑。 

图 2：级联降压-升压转换器

降压-升压拓扑有多种变化和简化，与图 2 中所示的拓扑相比具有许多优势。例如，两个转换器可以简化并共享一个电感，从而节省电路板空间（见图 3A）。想提高效率？移除续流二极管并添加 MOSFET 以降低传导损耗，即四开关降压-升压（图 3B）。还在为板级空间而烦恼吗？为什么不采用四开关转换器并移动控制 IC 内的 MOSFET（图 3C）并节省宝贵的 PCB 空间。

图 3A：2 开关降压-升压转换器

图 3B：4 开关升降压转换器

图 3C：具有集成 MOSFET 的升降压转换器