1.前言

汽車系統(tǒng)旨在承受溫度的廣泛變化、極端輸入瞬變和其他干擾。我們汽車中的幾乎所有電子設備都經(jīng)過嚴格的測試，需要滿足汽車電子委員會 (AEC) 規(guī)定的質量系統(tǒng)標準和組件認證。大多數(shù)汽車系統(tǒng)由 12V 鉛酸電池供電，我們可能知道，電池電壓在我們可以想象的幾乎所有條件下都會發(fā)生變化：環(huán)境溫度、負載條件、年齡；這個清單不勝枚舉。  

在正常工作條件下，電壓可以在 9V 到 16V 之間變化。在某些操作條件下，電壓可能擺動得更遠。內(nèi)燃機點火時，12V鉛酸蓄電池必須為啟動電機的繞組提供足夠的能量，短時間提供大量電流，導致蓄電池電壓急劇下降。極低的溫度會導致電池電壓降得更低。這種現(xiàn)象稱為冷車發(fā)動。典型的測試波形如圖 1 所示，其中電壓可降至 3V。 

圖 1：汽車電池冷啟動電壓曲線

2.汽車電壓選擇

汽車電器的電壓較低，一般有6V、12V、24V三種額定電壓，現(xiàn)代汽車普遍采用12V電源。一些重型汽車采用24V電源，有的重型汽車只是柴油機起動裝置采用24V電源，其他用電設備仍為12V電源，通過電源轉換開關來改變電源的電壓。采用低壓的主要優(yōu)點是安全、電源簡單、蓄電池單格數(shù)較少。

汽車采用直流電是因為需要用蓄電池作為發(fā)動機電力啟動電源，蓄電池電能消耗后也必須用直流電充電，因此汽車上電氣系統(tǒng)一直都是直流電。

現(xiàn)代汽車和工業(yè)系統(tǒng)需要穩(wěn)定的電壓源，即使系統(tǒng)輸入電壓從一個極端變到另一個極端，電壓源也須保持穩(wěn)定。在汽車系統(tǒng)中，冷啟動、動態(tài)燃油管理系統(tǒng)中的氣缸停用/激活或發(fā)動機負載顯著改變可能會導致輸入電壓發(fā)生明顯變化。同樣，在工業(yè)應用中，線路電壓不足是一個問題，大功率設備的電機開啟會導致輸入電壓嚴重下降。

即便電源轉換系統(tǒng)無法在低壓輸入下為負載提供所需全部功率，但無論輸入電壓電平如何，這些系統(tǒng)中的許多系統(tǒng)都必須保持運行狀態(tài)。例如，廣泛使用的高壓升壓和降壓轉換器采用具有標準柵極電平的高壓MOSFET。當輸入下降時，偏置電壓應保持在10 V以上，以使柵極驅動器維持正常工作。無論輸入條件如何，關鍵的數(shù)字控制和信息系統(tǒng)都應具有偏置電壓并保持運作。

如果預計輸入電壓不會降至所需的偏置電平以下，并且設計目標是使用外部偏置電源來最大程度地降低開關控制器的功耗，那么可以采用簡單的降壓轉換器。

如果輸入電壓降至所需的偏置電平以下，此設計的性能展望將發(fā)生顯著變化。在這種情況下，僅使用降壓轉換器是不夠的，因為當輸入降至所需的輸出以下時，輸出電壓會跟隨輸入。

3.設計方案

假設我們正在設計一個直接由這個 12V 鉛酸電池供電的 12V 汽車音響系統(tǒng)。我們?nèi)绾巫屢纛l系統(tǒng)以恒定的輸入電壓供電？請記住，如上所述，電池電壓的范圍可以從 3V 到 16V。降壓轉換器會起作用嗎？不。當電池電壓低于 12V 時，音頻系統(tǒng)的輸入將下降，可能導致掉電情況。讓我們試試升壓轉換器。不。當電池電壓高于 12V 時，音頻系統(tǒng)的輸入會升高，可能會導致過壓情況，從而損壞我們的電子設備。我們需要的是一個升降壓轉換器。顧名思義，無論輸入電壓如何，這種拓撲結構都可以降壓（降壓）或升壓（升壓）至穩(wěn)定的輸出電壓。最重要的是，盡管電壓波動，它仍能提供恒定的能量。圖 2 顯示了一個簡單的級聯(lián)升壓至降壓拓撲。 

圖 2：級聯(lián)降壓-升壓轉換器

降壓-升壓拓撲有多種變化和簡化，與圖 2 中所示的拓撲相比具有許多優(yōu)勢。例如，兩個轉換器可以簡化并共享一個電感，從而節(jié)省電路板空間（見圖 3A）。想提高效率？移除續(xù)流二極管并添加 MOSFET 以降低傳導損耗，即四開關降壓-升壓（圖 3B）。還在為板級空間而煩惱嗎？為什么不采用四開關轉換器并移動控制 IC 內(nèi)的 MOSFET（圖 3C）并節(jié)省寶貴的 PCB 空間。

圖 3A：2 開關降壓-升壓轉換器

圖 3B：4 開關升降壓轉換器

圖 3C：具有集成 MOSFET 的升降壓轉換器