车用启停系统电源设计

摘要：在汽车自动启停系统中，起动机工作时12 V系统的铅酸起动电池电压可能降至6.0 V或更低，从而造成汽车电器系统的不稳定工作，甚至可能造成系统的重启动或损坏;使整车的舒适性和可靠性降低。为了使电器设备在小于6.0 V的供电条件下，保持主要电路模块的稳定和可靠工作，本文设计了三种汽车电器设备电源系统方案，提出部分参考应用实例，有效的解决了汽车电器设备在发动机起动过程中工作电压不稳定的问题。

石油价格不断攀升、全球气候环境不断恶化，更加突出了汽车产品开发中节能环保技术是当今全球汽车业所面临的重大技术挑战。同时，现在城市交通问题已经成为社会关注的焦点问题，堵车时间也越来越长。堵车时，汽车停在原地，发动机怠速工作，将产生燃油消耗和排放污染。国内外典型市区工况，怠速油耗(怠速时间)占总油耗(总行车时间)的比例十分可观。如欧洲城市道路行车工况(ECE)，车辆平均停车怠速时间约占总行车时间的28%，怠速油耗约占总油耗的17%。

为了控制发动机燃油消耗，许多汽车制造商在下一代汽车发动机系统中实现了“自动启停”功能，自动启停功能是：在堵车和等红灯时，发动机可以自动熄火，起步时再点火，从而降低发动机怠速空转时间，减少不必要的燃油消耗，降低排放。

1 发动机启动时电池电压特性

这种系统也给汽车电器设备的电源设计带来了一些独特的工程技术挑战，因为在发动机起动时电池电压可能降至6.0 V或更低，如图1所示L点。LDO线性稳压器大量应用于汽车电子控制器，它在工作电流、最小输入输出压差、噪声及封装等方面的改进使其成为增长最多和最快的产品。LDO线性稳压器只有在输入电压大于输出电压一定数值时，系统才具有保证输出稳定的能力。当输入电压减小到某一临界值时，系统失去对输出电压的调整能力。

 

 

另外，典型的电源模块都包含有一个反极性的二极管，用于在汽车搭线启动又意外将搭线接反时保护汽车电路。这个二极管会使电池电压再降低约0.5 V，因此可供下游电路使用的电压只有5.5 V甚至更低。由于许多关键模块(如单片机，CAN模块)仍然需要5 V电源供电，因此基本上没有了余量，很难保证电路正常工作。

2 一般汽车电器设备电源模型

传统的汽车电器电源架构如下：

 

 

在汽车自动启停系统发动机起动的过程中，上图中的A点电压会低到6 V或更低;在防反接保护电路中有快反二极管，二极管的压降在0.5 V左右，所以B点的电压会低到5.5 V或更低;而LDO的最小输入电压要求是5.5 V;如果小于5.5 V，控制系统得不到稳定的5 V电压，不能正常工作。所以传统的汽车电器设备电源结构不适用于自动启停系统。

3 自动启停系统电源解决方案

3.1 降压型开关稳压电源方案

典型的降压型开关稳压电源如图3所示。

 

 

该模块可以实现反压保护、降压和稳压3个重要功能，PWM是该电路实现降压和稳压的关键模块，有两种实现方法：1)分立器件实现，比较器、运放等器件;2)专用开关电源控制集成IC，UC3842、NCV8852等。

该电路优点有：电源效率比LDO高;发热低;输入电压低至5.5 V，电路可以正常工作。但是也有一定的缺点：集成度低;当电压更低(低于5.5 V)时，系统无法正常工作。

3.2 前预置升压电源方案

前预置升压5 V稳压电源的方案如图4所示。

 

 

该方案中采用BOOST升压电路(如图4虚线框中所示)，在车辆起动的过程中电源低于设定值(5.5 V)时，前预置BOOST电路起作用，使OUT1点电压为设定值，该设计值由R1和R2的值来确定。从而使LDO的输入满足输出OUT2(5 V)的要求。另外，要特别注意：OUT1的设定值不应过大，过大会使LDO的效率大大降低，从而降低整个电源的工作效率。该方案中PWM模块一般采用集成电源控制器IC实现，LM3478、NCV8871等是常用的开关电源控制IC;D1是防反二极管，D2是BOOST电路的整流二级管，D1和D2一般采用肖特基二极管，压降约为0.5 V。

从上面的分析和图4可知：该电源的最小输入电压IN为4 V时，OUT2的输出可以达到5 V。完全可以满足车辆自动启停控制系统的要求。

3.3 改进型的前预置升压电源方案

改进型的前预置升压5 V稳压电源的方案如图5所示。

 

 

该方案中在图4方案的基础上，加入了前预置升压电路的使能控制。在IN的电压大于5.5 V的情况下，OUT1的电压会随着IN电压的变化;前预置升压电路不需要提高OUT1的电压;在这种情况下，BOOST电路IC还在正常运行，增加系统的功耗。为了降低系统的工作时的能耗损失，通过控制单元ECU使BOOST电路进入休眠状态，或者通过检测电源的方式使BOOST电路进入休眠状态;大约降低10mA的损失。通过这种有效的电源管控，从而提高汽车启停控制系统效率，节省能源。NCV88756等是常用的开关电源控制IC。

4 LDO选型及外围电路

以上介绍了各电源方案的拓扑结构，作为LDO的输入解决方案，下面简单介绍下具体LDO的选型及其外围电路。

在选择LDO时，需要考虑的基本问题包括输入电压范围、预期输出电压、负载电流范围以及其封装的功耗能力。如NCV4275，有输出为3.3 V及5 V线性稳压芯片，根据输入电压范围、输出电压、输出电流及精度选择。NCV4275相关参数如下：输入电压5.5～45 V，输出电压3.3 V和5.0 V，输出电流：450 mA，输出精度：2%。

负载电流：考虑负载需要的电流量并据此选择LDO。需要注意的是.额定电流为比如150 mA的LDO可能会在短时间内提供高出很多的电流。请查验最低输出电流限值规范，或者咨询有关厂商。

封装与功耗：一般来说，封装尺寸越小，功耗越小。请注意不要超过封装的最大功耗额定值。功耗可以采用P=(VIN—VOUT)/(IOUT+IQ)进行计算。

输出电容器：典型LDO应用需要增加外部输入和输出电容器。选择对电容器稳定性方面没有要求的LDO，可以降低尺寸与成本，另外还可以完全消除这些元件。利用较低ESR的大电容器一般可以全面提高PSRR、噪声以及瞬态性能。陶瓷电容器通常是首选，因为它们价格低而且故障模式是断路，相比之下钽电容器比较昂贵且其故障模式是短路。为了增强滤波效果，经常会使用大容量的电解电容。

5 结论

文中给出了3种自动启停系统电源解决方案，并针对LDO的选择做出说明，可满足汽车电器设备各种工况下的要求。试验证明在发动机起动期间，电池电压低于6 V时，这三种设计方案完全可以满足在该工况汽车电器设备主控单元的正常工作。

另外，汽车中大量使用了电子系统和半导体器件，比如说晶体管、微处理器和二极管等。其中，5 V稳压电源大量应用于各电路和微处理器中。本文的解决方案除了应用于启停系统，也适用于很多其它的汽车电子系统。