车载启停稳压器优化设计

束骁骅

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

随着家用汽车的普及，汽车投放量的逐年增加，汽车尾气逐渐成为影响大气污染的主要因素，因此控制汽车油耗以降低尾气排放成了当今世界各大汽车厂的一项重要研究课题。带有启停功能的汽车因具有一定的节油能力，且开发成本较低，成了当前流行的汽车节油解决方案。车载启停稳压器用于汽车启停功能的电压稳定，给需要稳定电压的用电器提供输入电源，使得用电器在汽车启停过程中稳定工作，满足用户对于车载显示终端在车辆启动过程中不允许屏幕闪动的使用品质和舒适度的要求。车载启停稳压器不仅给用户带来良好的驾驶体验，而且保护车载显示终端免受电压突降的冲击。车载启停稳压器优化设计的特点在于无机械噪声、效率提升和提供安全冗余可靠性设计，且易于实现、可靠性高、成本低。

1 传统车载启停稳压器电路设计

车辆在启动过程中，电池电压骤降，车载电子产品都要经过由于汽车启动、电池电压骤降带来的负载冲击电流。车载启停稳压器的作用是在汽车启动过程中稳定输出电压，给必须要稳定电压的用电器供电，让其工作不受汽车启动带来的电压波动的影响。

传统稳压电源Boost电路采用肖特基二极管整流方式，当电池电压下降到6V时，如果负载功率过大 （200W），电池端的冲击电流将达到40A以上，此时肖特基元件整流最大30A可以勉强支撑几秒短时间的稳压输出，之后输出模式切换到旁路模式供电，但如果旁路模式处于失效状态 （开路），此时供电回路由Boost模块继续供电，负载电流经肖特基元件供到负载端使用；但当长时间大功率电流经过肖特基后，由于肖特基的压降大，功率损耗大，发热量大，故易导致肖特基元件击穿开路，此时负载端无电压供电，车辆负载设备将不能工作，如果稳压器在车辆上供电于ECU等车辆控制模块，出现上述状况后，ECU无法供电会导致车辆不能行驶，影响用户的使用，车辆出现安全隐患，严重时在高速行驶会影响人身安全。

鉴于以上问题，现有技术中急需要一种可以有效地防止车辆配有启停稳压器产品功能的安全冗余可靠性设计，既能满足稳定汽车启动时电池电压的波动，同时也能满足由Boost回路给负载的电路长期供电的功能，而不会导致电子元器件损坏，影响车辆行驶功能，而且电路易于实现，可靠性高且成本低的启停稳压电路。

2 车载启停稳压器优化设计

车载稳压电源从汽车蓄电池取电，先进行EMC电磁滤波，然后对输入冲击电压进行前级防护，最终得到干净的输入电压。输入电压进行升压变换，经过同步整流后，进行滤波，得到稳定的输出电压经输出保护模块至负载。车载稳压电源由前级保护电路、DC-DC电源转换模块以及电源输出保护电路组成。

1）前级电路包含了抗瞬态电压干扰电路和防止电源正负极反接电路［1］。

①抗瞬态电压干扰电路：通过前级瞬态抑制TVS二极管过滤高压毛刺，消除外部干扰源的影响。瞬态的大电压输入能量被TVS二极管转化为热量吸收，从而起到抗瞬态电压干扰的保护作用。TVS二极管是一种高效的电路保护器件，在规定的反向应用环境条件下，承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗可立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压钳制在预定水平，从而有效地避免电子线路中的精密元器件受到损坏。TVS二极管与常见的稳压二极管的工作原理类似，如果高于标志上的击穿电压，TVS二极管就会导通；与稳压二极管相比，TVS二极管具有更高的电流导通能力［2］。

②防止电源正负极反接电路：防止电源正负极反接电路采用线性稳压电路实现，避免电源反接无操作造成的破坏。线性稳压电路的工作原理是对输出电压进行实时采样，并以采样电压进行负反馈，来调节输出管的动态电阻和压降而使输出电压保持稳定。输入电压下降或负载电流增大而使输出电压产生下跌，这时候稳压电路就会通过上述的一系列动作（采样、调整、负反馈）使输出管的电阻减小，可使管压降也减少从而在很大程度上抵消了使输出电压下降的那些因素的影响，确保输出电压基本稳定。

2）本项目产品的DC-DC电源转换模块采用宽压电源输入的DC-DC模块，适应宽幅电源输入，DC-DC模块内置输入滤波器电路，以确保输入电源电压的稳定性［3-4］。

3）本项目产品的电源输出保护电路在发生电源输出负载短路时采用PTC热敏电阻进行过流保护。PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，当超过一定的温度时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高［5］。

本项目产品的内部电路主要由稳压电路、旁路电路和控制电路3个电路模块构成。控制电路的MCU通过控制信号来控制两组电路 （旁路/稳压电路）在车辆发动机不同工况下，快速进行工作模式的自动切换，从而实现设计功能：其中稳压电路工作在发动机启动过程中；车辆启动后，自动关闭稳压功能，切换为旁路电路工作，使12V蓄电池电压与用电器旁路直通。总电路原理框图如图1所示。

图1 总电路原理框图

3 本项目产品的关键技术

3.1 旁路电路方案与传统方案对比

启停稳压器产品旁路电路的传统方案采用继电器，在进行稳压工作时，继电器的触点切换会产生无法消除的机械噪声问题。

另外，继电器作为机械开关，受各方面因素制约：①开关速度慢：最大时间在ms级；②开关次数受限制：寿命短，一般只能满足10万次；③触点阻抗大，同时驱动线圈也有较大功耗，导致旁路时空载电流大，旁路效率较低。

本项目产品采用新型的MOS管方案，MOS管作为电子开关相比继电器方案，优势明显，对比如下。

1）开关速度快：开关动作时间约在ns级，实现快速控制。

2）耐压和耐流满足设计要求时，开关次数不受限制。

3）内阻低，损耗小，旁路效率高。

3.2 稳压电路整流电路与传统方案对比

启停稳压器产品稳压电路选用Boost电源拓扑，整流电路的传统方案采用普通二极管整流，当输出电流较大时，由于二极管存在约0.7V的正向导通压降，流过较大电流时将会产生较高的功率损耗，大大降低稳压电路的整体转换效率。

本项目产品采用新型的MOS管同步整流方案，由于MOS管内阻极低，大电流导致的功率损耗很小，比传统二极管方案可将效率提升至少5%。

4 主要技术指标

1）工作电压范围：6～16V DC。

2）稳压输出电压：12V DC±0.5。

3）额定输出功率：16.7A（约200W）。

4）保护方式：输入电压欠压、过压，极性反接保护；输出过压、过载保护；过温保护。

5 结束语

本车载启停稳压器优化设计在旁路电路设计上采用功率MOSFET的方案，在进行旁路和稳压电路切换时，功率MOS管方案在电路切换时不会有任何机械噪声，给客户带来更舒适的驾驶体验；在主电路的整流电路设计方案上，采用功率MOS管的同步整流方案，大电流所产生的硬损耗几乎可以忽略不计，使产品的总体转换效率至少可以提高约5%，且在旁路电路损坏的情况下，还可以替代旁路长期供电，而不会导致电子元器件损坏，从而延长了零件的使用寿命和减少故障率。