一般來說，我們采用降壓升壓拓撲型拓撲來解決汽車應用中的寬闊輸入電壓范圍及冷起動需求。本文將詳細解釋冷起動的要求，并介紹兩種不同的解決方案。其中一種是傳統(tǒng)的SPEIC拓撲，而另一種是較新的多開關(guān)降壓/升壓拓撲。

　　下文將闡述每種方案的優(yōu)劣勢，并且將著重指出雙開關(guān)降壓/升壓拓撲相對于傳統(tǒng)SEPIC拓撲的優(yōu)勢。此外，本文還會結(jié)合美國國家半導體最新推出的LM5118仿電流模式降壓/升壓控制器來作應用說明。

　　冷起動條件

　　起動汽車其實就是通過電力起動馬達驅(qū)動內(nèi)燃機。電力起動馬達消耗動力由汽車電池提供。啟動馬達需要的大負載將導致電池電壓逐漸下降。對于汽車起動來說，最壞的情況就是"冷起動"。這種情況發(fā)生在溫度極低的環(huán)境中，低溫環(huán)境會使汽車冷起動更加困難。當汽車處于氣溫極低的環(huán)境時，內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)動阻力會升至最高，因此需要較大的機械力量才能發(fā)動起來。因此，電力起動馬達所消耗的峰值電流將比在溫暖環(huán)境下發(fā)動時更高。另一個在"冷起動"情況下的影響因素是汽車電池的電壓會隨著氣溫下降而下降，并且電池越舊則下降的幅度越大。

　　上述兩個低溫效應會使汽車電池的最小供電電壓大幅下降。ISO7637標準制訂了汽車于冷起動條件下的基本電壓波形。圖1表示出冷起動條件下的電壓特性，其一般將電壓定義為兩個電壓水平。首先，當電力起動馬達開始轉(zhuǎn)動去克服初始機械阻力時，供電電壓便處于最低。接著機械系統(tǒng)運行起來，所需的電壓也隨之增大。最后，當電力起動馬達被關(guān)閉后，系統(tǒng)電壓便會返回正常水平。

　　為了在寬闊的輸入電壓范圍下提供高精確度的輸出電壓調(diào)節(jié)，必須用適當?shù)目刂品椒��?qū)動兩個開關(guān)MOSFET，以便為降壓與降壓/升壓模式之間提供一個順暢的過度。該控制器可根據(jù)輸入輸出的條件以三種不同的模式運行：

　　1.降壓操作 Vin >Vout：假如Vin 大于Vout一個足夠的份量，調(diào)節(jié)器便會以一個傳統(tǒng)的降壓穩(wěn)壓器形式來運行。在這模式下，降壓轉(zhuǎn)換函數(shù)為Vout/Vin = D，其中D是Q1的占空比，而單純的降壓運行模式可確保得出最優(yōu)的效率及調(diào)節(jié)效果。

　　當Vin 相對Vout下降至占空比接近70%時，升壓開關(guān)便會以一個最小的占空比被激活，使調(diào)節(jié)器進入一個軟降壓/升壓模式(圖3a)。

　　2.降壓/升壓操作 Vin≈Vout：隨著Vin進一步降低至接近Vout，降壓開關(guān)的占空比將會下降，與此同時升壓開關(guān)的占空比則上升。這也使降壓運行模式可以順暢轉(zhuǎn)換到升壓運行模式。

　　3.降壓/升壓操作 Vin　　配合這種運行模式，輸出電壓便可于Vin接近Vout時繼續(xù)維持穩(wěn)定，原因是期間沒有發(fā)生電壓突變，只是從降壓與升壓模式之間出現(xiàn)一個漸進的轉(zhuǎn)換。

　　仿峰值電流模式控制方案

　　為了確保輸出電壓可在寬闊的輸入電壓范圍下進行調(diào)節(jié)，必須采用PWM電流模式控制方案。原因是電流模式控制可提供固有的線路前饋、逐周期性的電流限制及簡單閉環(huán)補償?shù)忍攸c。

　　傳統(tǒng)電流模式方案的唯一應用限制是它對電流感測路徑上的噪聲極其敏感，并難以配合高輸入電壓應用所需的低占空比。因此，美國國家半導體特別開發(fā)了一個全新的電流模式控制方案"仿電流模式"，將過往的應用限制一掃而空。

　　仿電流模式可以重建電感器斜坡電流。具體方法是：首先測量續(xù)流二極管在開關(guān)周期結(jié)束時的電流，然后加上與電感器電流斜坡成比例的斜坡。為了模仿電感器電流的斜坡部份，一個外部電容器被一個固定電流充電，而該固定電流與輸入和輸出電壓間的差別成比例。如此一來，最后出現(xiàn)在電容器的斜坡電壓便可與電感器本身的斜坡電流形成比例關(guān)系。對于大于50%的占空比，電流模式控制電路會經(jīng)常出現(xiàn)子諧波振蕩，而在電流感測信號上加入一個固定斜率的電壓斜坡信號(即斜率補償)便可有效地預防這種振蕩。此外，仿電流模式方案的另一個優(yōu)點是當電路處于短路或超載時，電感器的電流不會出現(xiàn)失控，原因是該電流在降壓開關(guān)被啟動前已被取樣。假如電感器電流過大，有關(guān)的周期便會被省略直至電流下降至過流閾值以下。

　　斜坡、取樣及保留直流電平、供PWM及電流限制用的仿斜坡信號、提供仿電流信號的消隱脈沖電平、具備與電感器電流相同斜率的仿斜坡。

　　SEPIC拓撲與單電感器降壓/升壓模式的比較

　　SEPIC是另一種可于寬闊輸入電壓要求下進行輸出電壓調(diào)節(jié)的常用拓撲技術(shù)。該拓撲由一個升壓/降壓-升壓級和一個降壓級組合而成。SEPIC是Single Ended Pri