使用集成降压-升压转换器方案，解决车辆电源稳压器

1.前言

无论汽车电池如何变化，汽车车身电子设备和网关模块都必须不间断地运行。

电压稳定非常重要，相信大家见得多的是在电压不稳定的情况下灯泡会忽明忽暗，甚至还出现家里电器不工作的状况，在汽车里面稳压器也是同样的。汽车的电池电压在冷车发动期间会降至 3V 以下，在抛负载期间可能会激增至 40V，因此需要 DC/DC 电源升压和降压，并维持 5V 至 12V 的稳定工作电压。

此外，DC/DC 电源应具有较小的解决方案尺寸以节省空间，以低静态电流运行以最大限度地减少汽车电池的消耗，并能够进行 2MHz 切换以避免 AM 频段中的电磁干扰 (EMI) . 在这篇文章中，我将比较典型的传统 DC/DC 电源解决方案，并研究集成宽输入电压 (V IN ) 降压-升压转换器提供的优势。

2.常规解决方案

为了产生 5V 或 12V 的稳压电压，DC/DC 电源应该能够在启动时将电池电压从低至 3V 升高，并在电池电压高于所需的输出电压时降压。

图 1 到图 4 显示了传统解决方案的简化电源架构。为简单起见，这些数字使用二极管作为整流器，但我们可以用功率金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 替换它们，以获得更高的功率转换效率。

图 1 和图 2 通过级联两个功率级，使用一个降压和一个升压，提供了简单而快速的解决方案。当降压和升压级均为现有设计时，我们可以节省开发时间。一个主要缺点是两个转换级导致的低效率。例如，即使每个阶段都可以达到 90% 的效率，但总体效率是两者的乘积，即 81%。另一个缺点是相对较高的物料清单 (BOM) 成本和更大的解决方案尺寸——由于使用了两个功率电感器、两个控制器和更多的外围组件，这可能会重复两个控制器的某些功能。

图 3 显示了单端初级电感转换器 (SEPIC) 转换器，可在单级中实现功率转换。然而，它仍然需要两个电感器。虽然可以用耦合电感代替两个独立的电感，但前者的成本无疑高于后者。SEPIC 需要的交流耦合电容器也增加了 BOM 成本。

图 4 显示了一个降压-升压转换器。它是一种单级转换器，只需要一个功率电感器。非同步整流器降低了整体效率。

图1 ：传统架构 1：先升压后降压

图 2：2 号传统架构：先降压后升压

图 3：传统架构之三：SEPIC

图 4：传统架构 No.4：升降压

使用如图 5 所示的同步整流器可提高效率，但四个外部 MOSFET 会增加 BOM 成本。还存在与印刷电路板 (PCB) 布局和功率组件布线以实现最佳性能相关的挑战。

图5：同步升降压

3.高度集成的宽输入电压降压-升压转换器

带有与控制器集成的所有四个功率 MOSFET 的升降压转换器克服了传统解决方案的缺点。图 6 是集成降压-升压转换器的简化框图。典型产品包括 TI 的 TPIC74100-Q1、TPS55060-Q1 和最近发布的 TPS5516x-Q1 系列。这些产品在微型解决方案尺寸中支持高达 1A 的最大负载。

图6：集成单级单电感器解决方案：降压-升压转换器

4.一个应用示例

图 7 显示了采用 TPS55165-Q1 的典型解决方案，适用于 5V 和 1A 应用。完整的解决方案需要不到十几个外部组件。

图 8 显示了微型解决方案尺寸。作为参考，集成电路 (IC) 尺寸为 6.5mm x 4.5mm。可以进一步减小双面安装的解决方案尺寸。

图 9 显示了电路在冷启动下的性能。我们可以看到，即使在瞬态条件下，输出电压也稳定地稳定在 5V。

图 7：用于 5V/1A 应用的带有 TPS55165-Q1 的完整解决方案

图9：电池电压启动响应（条件：I OUT = 0.5A，V IN瞬态：12V 至 4V）

5.总结

四开关降压-升压转换器使用单个转换级、单个功率电感器和最少数量的外部组件，是汽车应用的最佳选择。凭借 2.2MHz 频率开关、15µA 低 I Q操作、可选扩频技术和微型解决方案尺寸，高度集成的宽 V IN TPS5516x-Q1 系列非常适合车身控制和网关模块。