瞬态最大峰值输入电压 - 汽车电子降压型BUCK变换器设计关键及注意事项

　　2 瞬态最大峰值输入电压

　　随着电池供电设备越来越多进入移动应用领域，人们使用汽车的点烟器接通电源以使电池组在汽车行驶期间储存电能甚至再充电。但接通前，注意：在接通到极恶劣的电源上，汽车内的主电源电缆产生一些潜在的瞬变，包括负载突降及电压电压倍增。负载突降是电池电缆松动的结果。当电缆连接中断时，交流发电机中的磁场会会产生一个高达60V 的正尖峰电压，它能在几百毫秒中衰变。电池电压倍增是24V跳跃式起动时性能比12V 更快让冷车发动的结果。

　　图2 是保护DCDC 转换器不受汽车电源线损坏的最简单直接的方法。

　　瞬态抑制器在负载突降期间对输入电压进行箝位。注意：瞬态抑制器不应在双倍电池电压操作时导通，但仍必须将输入电压箝位在转换器的击穿电压之下。

　　

　　图2：输入TVS 保护电路

　　陶瓷电容的尺寸小，阻抗低，工作的温度范围宽，很适合应用汽车电子中BUCK 变换器的输入端旁路电容。但是在BUCK 变换器的输入端插入工作的电源时，即热插入，如汽车的点烟器，这些陶瓷电容会产生应用的问题：低损耗的陶瓷电容与连接线的杂散电感由低阻抗的电源形成欠阻尼谐振环，产生振荡，在BUCK 变换器的输入端产生二倍的输入电源电压的尖峰，从而超过BUCK 变换器的输入端允许的额定电压，损坏器件。在这种工作条件下，必须设计输入的吸收网络阻止输入电压的过冲尖峰。下面的的波形展示了BUCK 变换器由一根6 英尺的双绞线连接到24V 电源时的波形。图3 是输入仅加4.7uF 陶瓷电容的响应。输入电压的振铃的峰值为50V，输入电流的峰值为26A。

　　

　　图3：输入仅加4.7uF陶瓷电容的响应

　　使用阻尼振荡可以降低峰值的电压，形成阻尼振荡有二个方法：①输入的陶瓷电容增加一个串联电阻；②使用电解电容。铝电解电容有高的ESR，可以形成阻尼，减小振荡的过冲；其电容可以滤除低频的纹波，此外，对系统的效率稍有提高。只是其体积相对较大。图4为一个22uF的电解电容和一个4.7uF的陶瓷电容并联加在输入端时的响应，陶瓷电容滤除高频纹波。输入电压的峰值明显降低。

　　

　　图4：输入为22uF电解电容并联4.7uF陶瓷电容的响应

　　在输入端加一个0.7欧姆的串联电阻也可以减小电压过冲，同时减小峰值的电流，0.1uF小的陶瓷电容滤除高频纹波。如图5（a）所示。

　　与电解电容方法相比，这种方法体积小成本低，在高的输入电压时对系统的效率影响并不大。但输入电压相对较低时，系统的效率略有降低。

　　

　　（a）

　　

　　（b）

　　图5：输入加串联电阻的响应