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汽车DC/DC变换器建压时间与起停时序匹配研究
来源:汽车电器  作者:佚名  2015-09-01 09:00:07


    3 种系统基础系统控制原理相同,见图6。

    成本最低的方案为A,但为了确定是否需要复杂的升降压系统及电压过渡功能的方案B、C,首先需要对目标车型(如大众新朗逸)的起停系统电池与发电机匹配进行测试。起停控制策略避免在制动能量回收的电压波动区进行起停或是在起停前制动能量回收强度可变策略,可以保证在无需电压过渡功能时也同样平稳无视觉影响而不采用方案B,负载自带电源管理技术则可以避免使用方案C。
    A方案选定后,需要对3类芯片进行电路方案设计,因为电路方案会影响系统建压时间。由于系统需要精确的电压稳定控制,所以选择带反馈的PWM峰值电压控制技术,并且采用单或多BOOST通道技术。多通道或单通道的升压用以在起停交通灯红灯瞬间对整车的导航或灯等负载进行支持,方案主要使用基础BOOST电路模式,主干电路采用图7所示电路,具体参数需要对3类芯片进行单独设计。

    图7电路为测试建压时间而建,主要是由基础BOOST基本电路演绎而来,根据芯片相关引脚的定义得到。理论上,整车负载与芯片的选型是无关的,但在实际应用中,由于GATE引脚处的带载能力有限,一般情况下根据经验单个芯片单通道的支持功率建议不超过100300 W,以免产生GATE引脚问题和过热以及EMC问题。对于较大功率情况,为了保证效率可以选择使用较小内阻的Mosfet,单芯片双通道系统架构。双通道必须是异步BOOST型,图8为单芯片双通道异步设计,即2个GATE。

    如果整车厂用DC/DC变换器输出)400 W,考虑到芯片带载特性影响,建议使用多芯片多通道控制技术(中国大陆采用此技术),这时假如设置斩波频率过高,就需要考虑集肤效应设计保证系统效率。多通道影响建压时间的关键技术是异步控制,比如4个芯片共8个通道之间的匹配设计。在同一时间内8个通道如果采用相同的斩波相位,会产生非常大的EMC和能量拉拽效应,引起整车电网不稳和输出波纹过大,同时产生较大的辐射发射和较大的建压延时。针对这种情况,可以采用外部MCU时钟分配相位差或是采用芯片自带延时相位发生器来制造异步效果。
    在设计中采用图9主奴控制方式进行多通道异步分配架构,主截点发生异步命令让各奴节点进行同步,同步过程同时保证整车建压输出及时且平稳。

    4 系统建压时间验证
    根据电路方案,需要对3家产品的开发板测试及DATASHEET相关内容进行分析。使用MAXIM的MAX 16990制作的样件电路升压时间约17~20 ms 、由于系统时间要求12 ms,公差无法覆盖设计需求,基于DFSS六西格玛设计要求,否定MAXIM(美信公司芯片)。基于成本和性能,选择LT3757或LT3862进行测试。
    设计的目标是体积小和成本低,对于200 W的DC/DC变换器的设计,选用了成本最为低廉的LT3757,图10为电路板样板及测试环境。利用集成磁技术,可以将其做到体积较小,可以看到电路板上采用的是体积较小的贴片磁芯。

    由于测试台架无整车的发动机控制模块,所以主要测试的是C点至X点的建压时间。C~X时间长短和整车系统设计无关,但和DC/DC变换器电路及芯片相关度较大,如图11所示。

    图11中Z、点即为成功建压点,Z时刻必须在X点之前,才能保证整车起停正常,否则会引起用电器使用异常。图11的实测图为1011 ms,根据分析典型需求为系统建压时间<<14 ms,满足需求。
    由于线路切换信号(变量名为YPASS )控制整车DC/DC变换器是BYPASS状态还是升压回路状态,考虑到继电器的吸合时间较长,则必须在升压信号(变量名为YDD_ON)之前2 ms使能YPASS_0,否则,一旦继电器吸合晚会造成升压后的能量无法输出给整车的问题。
    但这种设计存在风险,即YPASS使能时MCU还未能真正判定是否为真实起停需求(算法只完成了约一半)。假如这样,可能在不需要起停时,比如由于线路干扰而突然存在的一个假起停使能信号产生,且YPASS由于提前使能未等到采集到足够的电压点而误判定,就会错误地把DC/DC变换器输出由BYPASS回路切换到BOOST回路,这会产生整车用电器用电不稳的情况。
    解决这个问题的方法就是选用吸合速度较快的继电器,让YPASS和YDD_ ON同时使能,即起停需求采集到足够多信号,足以完全正确地判定起停需求为真且达到六西格玛水平时才同时使能两个控制信号。

    5 总结
    DC/DC变换器的系统在市场中得到应用,在其应用中的建压时间匹配是整个起停系统设计的难点,其中“需求分析”决定了系统芯片及电路的选型。需求分析不需要从整个系统的匹配来考虑,包括选用的发电机充电策略和电池电压,继电器选型策略及起停控制策略等来总体考量,不能仅从升压电路的设计孤立地进行设计。

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