引言

工作在汽車領(lǐng)域的電子工程師遲早會(huì)面臨“啟動(dòng)測(cè)試脈沖”問題,。這些測(cè)試脈沖說明了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中的電池壓降,，所有汽車制造商對(duì)此都有其自己的標(biāo)準(zhǔn)。電池上連接有大量的電子產(chǎn)品電路,，因此它們會(huì)受到這一事件的影響。在導(dǎo)航或多媒體系統(tǒng)等一些應(yīng)用中，人們不希望,、甚至無法接受由于輸入電壓下降而導(dǎo)致的工作中斷。在這種情況下,，升壓轉(zhuǎn)換器大多數(shù)布置在電路前面,，以便為電子產(chǎn)品提供穩(wěn)定的輸入電壓。

在開發(fā)過程中,，必須測(cè)試前置升壓轉(zhuǎn)換器的功能性,，才能確保為負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器等后續(xù)電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)以及干凈穩(wěn)定的輸出電壓。這類應(yīng)用的典型解決方案是德州儀器(TI) 的 TPS43330,，其可提供兩個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器,。電池電壓可直接連接至升壓轉(zhuǎn)換器,，而兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器則連接至該升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端。

只要電池電壓下降至一個(gè)可調(diào)閾值以下,，升壓轉(zhuǎn)換器就會(huì)啟動(dòng),，為降壓轉(zhuǎn)換器提供 7V、10V 或 11V 的恒定電壓,。

很多制造商都提供測(cè)試系統(tǒng)來仿真啟動(dòng)脈沖,，但可惜它們也有一定的“商業(yè)”價(jià)格。要測(cè)試具有不同標(biāo)準(zhǔn)化起動(dòng)脈沖的,、輸入功率高達(dá) 50W 的汽車電子系統(tǒng),，可使用以下所示低成本小型啟動(dòng)仿真器。

規(guī)范

從根本上講,，需要一個(gè)高度靈活的可編程,、任意信號(hào)發(fā)生器，其可覆蓋 2 至 15V的輸出電壓范圍和 50W 的最大輸出功率,，這些需求可分為三個(gè)部分,。

對(duì)于電源部分而言，降壓轉(zhuǎn)換器是正確的選擇,，因?yàn)闊o需電流隔離,，而且它通常可為所有非隔離式拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)最大的穩(wěn)壓帶寬,。由于輸出電壓在 2 至 15V 的范圍內(nèi),，因此 24V DC 輸入電壓就是理想的電壓，在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)室都能找到的標(biāo)準(zhǔn)電源就可提供這樣的電壓,。

要增大降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓,，只需提高占空比，電感器內(nèi)的電流方向保持不變即可,。如果輸出電壓必須極速降低,，只降低占空比是不夠的，還必須通過讓輸出電容器放電來盡快達(dá)到所需的最新輸出電壓,。

圖1 是非同步與同步降壓轉(zhuǎn)換器的功率級(jí),。在非同步拓?fù)渲惺褂玫亩O管只允許單向電流流過。如果將該二極管替換為FET,，則在輸出電容器上的電壓高于新設(shè)定值時(shí),，降壓控制器就會(huì)連續(xù)接通該低側(cè)FET。然后電流流過電感器的方向會(huì)發(fā)生變化,，而輸出電容器則可通過將其經(jīng)由電感器連接至接地來實(shí)現(xiàn)放電,。

圖1. 非同步與同步降壓轉(zhuǎn)換器

當(dāng)然，在占空比可以非常低而輸出電流為高的此類應(yīng)用中,，同步降壓可提供比非同步方案高得多的效率,，因?yàn)樵诜峭椒桨钢?，二極管的正向壓降可引起高損耗。

圖2. 降壓轉(zhuǎn)換器的占空比

要對(duì)輸出電壓實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)壓,，就必須禁用控制器的任何‘二極管仿真’或‘電源安全模式’,，使轉(zhuǎn)換器始終保持在連續(xù)導(dǎo)通模式下。與斷續(xù)導(dǎo)通模式相比,，這種‘強(qiáng)制PWM 模式’可增加低負(fù)載損耗，但對(duì)于該應(yīng)用而言,，沒有任何作用,。

TI 的TPS40170 電壓模式降壓控制器符合所有要求，而且所集成誤差放大器的高帶寬（典型值為10 MHz）還可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的快速變化,。

第二部分的內(nèi)容包括輸出電壓的變量及其快速變化,。有幾種方法可改變工作過程中的輸出電壓，但可能最快的方法是為數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 供電,。根據(jù)處理器負(fù)載調(diào)節(jié)內(nèi)核電壓,，可增強(qiáng)計(jì)算功能或降低損耗。這通常由一個(gè)動(dòng)態(tài)電壓識(shí)別(VID) 接口完成,，如圖3 所示,。

圖3. VID 接口

通過改變參考電壓或電壓（其可與參考電壓進(jìn)行比較）可改變轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。由于參考電壓大多是固定的,，而且不可通過控制器訪問,，因此必須使用第二種方法。

將幾款附加電阻器與該分壓器的低側(cè)電阻器并聯(lián)布置,，它就可通過小型FET 進(jìn)行開關(guān),。

在該電路中，增加8 個(gè)附加電阻器和FET,，可在2V 至15V 輸出電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生51mV的分辨率,。

TI 微控制器MSP430F2274 可用來控制整個(gè)系統(tǒng)。三種不同標(biāo)準(zhǔn)的啟動(dòng)脈沖（戴姆勒克萊斯勒發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)測(cè)試脈沖DC-10615,、大眾冷啟動(dòng)測(cè)試脈沖以及熱啟動(dòng)測(cè)試脈沖VW80000）均在該MCU 中進(jìn)行了硬編程,，它們既可按單脈沖觸發(fā)，也可按相同脈沖序列觸發(fā),，其間延遲可調(diào),。此外，該MCU 還可處理由幾個(gè)按鈕和LED 組成的用戶界面,。

固件不僅可采用C 語言進(jìn)行編程,，而且還顧及了評(píng)論良好的模塊化結(jié)構(gòu)。即使沒有什么編程經(jīng)驗(yàn),，讓源代碼適應(yīng)您自己的需求（例如改變脈沖形狀）也沒有問題,。開發(fā)環(huán)境“Code Composer Studio”可從ti.com 上免費(fèi)下載,，可用來編程微控制器，并可使用TI 低成本 MSP430 LaunchPad,。

有源反極性保護(hù)與觸發(fā)器輸入輸出等部分電路外設(shè)可使該電路更穩(wěn)健,、更簡單易用，以充分滿足實(shí)驗(yàn)室日常使用需求,。

測(cè)量

有關(guān)快速電壓變化（大眾冷啟動(dòng)測(cè)試脈沖）的最關(guān)鍵脈沖如圖4 所示,。連接至輸出的是50W 恒定負(fù)載，在測(cè)試脈沖開始時(shí),，輸出電壓必須在1 ms 內(nèi)從11V降低到3.2V,。

通道2（紅色）是輸出電壓，而通道1（黃色）則是輸出電流,。由于負(fù)載是恒定的,，因此在電壓下降時(shí)，電流必須相應(yīng)上升,。該脈沖下的峰值輸出電流是26A,，如圖5 所示。

圖4. 大眾冷啟動(dòng)測(cè)試脈沖

圖5. 在50W 恒定負(fù)載下,，輸出電壓從11V 變成3.2V

為了顯示該系統(tǒng)的性能,，對(duì)鋸齒波形進(jìn)行了編程。圖6 中的通道2（紅色）是在50W 恒定負(fù)載下從2V 直線上升至15V 的輸出電壓,。只是從2V 到15V 的極度電壓變化不太完美,，但也很不錯(cuò)。

圖6. 在10ms 周期內(nèi),，從2V 到15V 的鋸齒形波

結(jié)論

這里顯示的系統(tǒng)已經(jīng)在日常實(shí)驗(yàn)室使用中經(jīng)過驗(yàn)證,，能夠高度可靠地完成各項(xiàng)任務(wù)。它雖然是一個(gè)低成本的小型解決方案,，但在用于測(cè)試導(dǎo)航與多媒體系統(tǒng)等汽車電子產(chǎn)品的啟動(dòng)輸入脈沖時(shí),，表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

原理圖,、材料清單,、布局以及軟件等有關(guān)該項(xiàng)目的所有信息已在ti.com 網(wǎng)站上的PMP7233 目錄下提供。