鄧 恒

（上海汽車集團股份有限公司，上海 201805）

DC／DC變換裝置的作用是為了保證汽車在起停功能實現(xiàn)瞬間整車的電源正常，穩(wěn)定整車用電器的供電電壓和保證整車舒適性、安全性、動力性。一個合理的系統(tǒng)要求在 “起動指令下達瞬間”至 “起動機開始轉動臨界”的這一短暫間隙，DC／DC變換器能合理地識別并且在正確的時間開始工作。沒有DC／DC變換器激勵時機分析的設計，如手工概念DC／DC變換器樣機，沒有對DC／DC變換器激勵時間及整車系統(tǒng)反應時間作出詳細指標要求，所以整車的儀表及收音機會有輕微的視覺和聽覺上的負面影響，以及對DC／DC變換器供電的整車變速器ECU及動力性也有負面影響。合理設計整車系統(tǒng)起停反應時間及DC／DC變換器自身的建壓時間，對整個起停系統(tǒng)的舒適性、安全性非常重要。

1 起停系統(tǒng)的時序需求分析

起停的再起動時間影響到客戶對于起停延時的感知品質。在紅燈變綠時駕駛員多傾向于快速起動整車加速向前，而不是延時很久車才起動。這種起動延時最理想的效果是 “和無起停功能車輛的起動延時主觀感受相同”，即讓駕駛員無法感知到起停功能的存在。其中，行駛系統(tǒng)的機械匹配決定了整個起停起動瞬間的物理層速度。

駕駛員松開制動時 （自動檔對起停要求更高），即圖1整個起停時起動過程，由于需要快速起動來達到讓駕駛員無法感知起停的存在，整個系統(tǒng)運行時間要求在600 ms以內可接受（600ms是根據(jù)約50位駕駛員對起停時間的感受而做出的調查結果）。

由于變速器針對起停配置增加了電子油泵加快建壓時間，已達到最優(yōu)化配置。余下起動機動作的時間只有340 ms左右，這個340ms中的大部分時間是被起動機轉動及噴油點火占有，其中290ms為松制動到起動機有轉速且到達350r／min的過程，由于這部分時間會持續(xù)噴油點火，可以通過發(fā)動機起動標定來優(yōu)化。

影響DC／DC變換器選型最重要的工序在起動系統(tǒng)初始化過程 （包括起動機和AGM蓄電池），即起動機電壓開始下跌之前瞬間，DC／DC變換器必須要BOOST電壓到12V狀態(tài)，留給這一段時間只有約50ms （=340-290ms）。

起動系統(tǒng)初始化過程和影響DC／DC變換器的系統(tǒng)結構見圖2。

DC／DC變換器的設計要求既要滿足變速器ECU、車內燈、儀表、娛樂等系統(tǒng)的供電容量，還要滿足圖2中電樞開始動作的臨界點A（大于300 A電流）之前供電要求。

2 DC／DC系統(tǒng)級設計

起停系統(tǒng)由BCM車身控制器與EMS發(fā)動機控制器聯(lián)合控制起停的使能，這種設計主要是考慮到基于ISO26262的安全性設計，保證整個系統(tǒng)不會誤起動。系統(tǒng)包括車身控制器、BCM控制的起動信號繼電器、發(fā)動機控制器、EMS控制的起動信號繼電器、起動機、KL87發(fā)動機使能信號、KL30常電信號、DC／DC變換器。BCM與EMS使能起停主要在圖2中B～C階段。

當轉向盤轉向角、電池電量SOC、電池SOF、空調系統(tǒng)溫差、發(fā)動機水溫等8個參量達到相應的指標，系統(tǒng)才會允許起停。起停系統(tǒng) （起停ECU或EMS或PMDC等模塊）通知DC／DC變換器開始蓄能并準備激勵電壓。通知DC／DC變換器的方法有2種：①通過CAN總線直接發(fā)給DC／DC變換器 （如中國大陸DC／DC系統(tǒng)）；②通過硬線DC／DC變換器直接采集繼電器電壓來得到信號 （如博世的DC／DC系統(tǒng)）。

根據(jù)整車的實測，CAN總線型結構對DC／DC變換器的升壓控制系統(tǒng)的反應速度要求較低，因為其軟件無需做硬線信號過濾、去抖、無需算法中對客戶起停意圖進行校核、無需算法中內嵌起停ECU的MOSFET反應等待時間，但其對DC／DC變換器成本要求較高，需要CAN收發(fā)器和較高層次MCU及CAN芯片物理層。CAN總線型理論速度快 （即對DC／DC變換器反應時間預留空間較大），這主要是基于假定會有一個良好無延時的CAN數(shù)據(jù)鏈路層算法 （如明導公司的商業(yè)總線配置軟件VTP等）。如果協(xié)議算法不好，將會延時較大。把DC／DC變換器升壓系統(tǒng)的時間壓縮得很小，甚至會導致要求比硬線型DC／DC變換器要求還要更高的系統(tǒng)反應時間設計。綜合以上，選擇硬線型DC／DC變換器系統(tǒng)。

電源接通時間分析見圖3，繼電器吸合時間見圖4。 圖3中在C點DC／DC變換器就接收到信號，圖4中繼電器吸合時間為6～12 ms。最嚴酷的情況是DC／DC變換器在繼電器6 ms內就吸合，即要求在6 ms＋8ms的時間范圍內就要成功在X點升壓到12 V，否則就會引起整車儀表閃爍或重啟，或動力不穩(wěn)等負面影響。

另一種系統(tǒng)設計思路是把成功升壓點設計為A點，即C～A范圍都是DC／DC變換器的建壓時間 （而不是C～X區(qū)域）。由于從X點推后到A點，DC／DC變換器的升壓反應時間也增加了約25ms，這會給DC／DC變換器的升壓系統(tǒng)設計留有余地較大 （14～20ms以上）及芯片選型帶來非常多的選擇，從而設計的難度也大大降低。

但這樣做也是有缺陷的，如大眾POLO起動機電磁開關工作電流約40～70 A，這個電流會在X～A間運行。這種電流雖然比在A點后的300A的起動電流對整車影響小一些，但根據(jù)實測，系統(tǒng)電壓降也有0.5～2V，會引起整車視覺上的影響，比如儀表導航輕微閃爍。避免有視覺反感的解決方案是選擇低內阻的起動機電磁開關或帶控制系統(tǒng)的電磁開關，但這樣的設計非常昂貴。因此不優(yōu)先使用C～A區(qū)域升壓方案。

3 DC／DC變換器硬件及策略設計 （針對反應時間）

斬波控制器是直流變流的核心電路，通過PMW來調節(jié)電壓實現(xiàn)最優(yōu)控制［1］，其內部控制機制決定了系統(tǒng)反應速度，其工作控制指令及系統(tǒng)控制協(xié)調來源于MCU的中央控制軟件，斬波控制器在架構中屬于隔離能源控制部分和電子控制部分的中間器件，見圖5。

DC／DC變換器的MCU要有相應的策略來判定起停需求，主要是判定起動系統(tǒng)硬件結構中發(fā)動機控制器EMS使能起停的信號是否為真實起停需求，還是干擾或接觸不良產生的信號，以保證DC／DC變換器升壓時機有效。有效的判定策略是基于起停使能信號電壓波動差值判定和多次電壓平均值判定。MCU通過自身的A／D轉換在2～3ms內采集多于20次電壓。根據(jù)多次測試，如果小于2ms可能會產生誤判定。通過對電壓之間的差值算法及電壓的平均值與標準值比較，及A／D采樣的補償算法，判定起停需求是否有效。

由于系統(tǒng)方案選擇了X點升壓及硬線型DC／DC變換器，因此系統(tǒng)時間要求在14 ms（6 ms＋8 ms）以內。其中2 ms用來MCU判定起停有效性，因此DC／DC變換器斬波芯片的建壓時間需要小于12ms。

設計需求是12ms，然后對各種升壓芯片進行考查，以TI（德州儀器）、MAXIM （美信半導體）、LT（線性半導體）3個體系芯片進行對比分析。

芯片設計的另一個重要因素還取決于整車企業(yè)需求。不同需求會產生3種不同設計，3種不同的系統(tǒng)建壓時間設計方法也不相同。

A方案：在起停系統(tǒng)中如果整車廠定義的只有對起動瞬間的電壓降支持，那么只需要BOOST單向電路即可。

B方案：整車廠有柔性電壓過渡功能 （Transition）要求或任意電壓點變流需求時，就需要設計可變目標電壓BOOST式電路。

C方案：如果整車廠有強制動能量回收功能要求、敏感負載或是對整車燈光聲音等負載有特殊要求、柔性電壓過渡功能要求時，就需要設計有單向BOOST／BUCK電路。如果整車廠有復合電源起動系統(tǒng)，還可能需要雙向升降壓變流系統(tǒng)。

3種系統(tǒng)基礎系統(tǒng)控制原理相同，見圖6。

成本最低的方案為A，但為了確定是否需要復雜的升降壓系統(tǒng)及電壓過渡功能的方案B、C，首先需要對目標車型 （如大眾新朗逸）的起停系統(tǒng)電池與發(fā)電機匹配進行測試。起?？刂撇呗员苊庠谥苿幽芰炕厥盏碾妷翰▌訁^(qū)進行起?；蚴窃谄鹜Ｇ爸苿幽芰炕厥諒姸瓤勺儾呗?，可以保證在無需電壓過渡功能時也同樣平穩(wěn)無視覺影響而不采用方案B，負載自帶電源管理技術則可以避免使用方案C。

A方案選定后，需要對3類芯片進行電路方案設計，因為電路方案會影響系統(tǒng)建壓時間。由于系統(tǒng)需要精確的電壓穩(wěn)定控制，所以選擇帶反饋的PWM峰值電壓控制技術［2］，并且采用單或多BOOST通道技術。多通道或單通道的升壓用以在起停交通燈紅燈瞬間對整車的導航或燈等負載進行支持，方案主要使用基礎BOOST電路模式，主干電路采用圖7所示電路，具體參數(shù)需要對3類芯片進行單獨設計。

圖7電路為測試建壓時間而建，主要是由基礎BOOST基本電路演繹而來，根據(jù)芯片相關引腳的定義得到。理論上，整車負載與芯片的選型是無關的，但在實際應用中，由于GATE引腳處的帶載能力有限，一般情況下根據(jù)經驗單個芯片單通道的支持功率建議不超過100～300W，以免產生GATE引腳問題和過熱以及EMC問題。對于較大功率情況，為了保證效率可以選擇使用較小內阻的Mosfet［3］，單芯片雙通道系統(tǒng)架構。雙通道必須是異步BOOST型，圖8為單芯片雙通道異步設計，即2個GATE。

如果整車廠用DC／DC變換器輸出≥400 W，考慮到芯片帶載特性影響，建議使用多芯片多通道控制技術 （中國大陸采用此技術），這時假如設置斬波頻率過高，就需要考慮集膚效應設計保證系統(tǒng)效率［4］。多通道影響建壓時間的關鍵技術是異步控制，比如4個芯片共8個通道之間的匹配設計。在同一時間內8個通道如果采用相同的斬波相位，會產生非常大的EMC和能量拉拽效應，引起整車電網不穩(wěn)和輸出波紋過大，同時產生較大的輻射發(fā)射和較大的建壓延時。針對這種情況，可以采用外部MCU時鐘分配相位差或是采用芯片自帶延時相位發(fā)生器來制造異步效果。

在設計中采用圖9主奴控制方式進行多通道異步分配架構，主截點發(fā)生異步命令讓各奴節(jié)點進行同步，同步過程同時保證整車建壓輸出及時且平穩(wěn)。

4 系統(tǒng)建壓時間驗證

根據(jù)電路方案，需要對3家產品的開發(fā)板測試及DATASHEET相關內容進行分析。使用MAXIM的MAX16990制作的樣件電路升壓時間約17～20 ms，由于系統(tǒng)時間要求12ms，公差無法覆蓋設計需求，基于DFSS六西格瑪設計要求，否定MAXIM （美信公司芯片）?；诔杀竞托阅埽x擇LT3757或LT3862進行測試。

設計的目標是體積小和成本低，對于200 W的DC／DC變換器的設計，選用了成本最為低廉的LT3757，圖10為電路板樣板及測試環(huán)境。利用集成磁技術，可以將其做到體積較小［5］，可以看到電路板上采用的是體積較小的貼片磁芯。

由于測試臺架無整車的發(fā)動機控制模塊，所以主要測試的是C點至X點的建壓時間。C～X時間長短和整車系統(tǒng)設計無關，但和DC／DC變換器電路及芯片相關度較大，如圖11所示。

圖11中Z點即為成功建壓點，Z時刻必須在X點之前，才能保證整車起停正常，否則會引起用電器使用異常。圖11的實測圖為10～11ms，根據(jù)分析典型需求為系統(tǒng)建壓時間＜14ms，滿足需求。

由于線路切換信號 （變量名為YPASS）控制整車DC／DC變換器是BYPASS狀態(tài)還是升壓回路狀態(tài)，考慮到繼電器的吸合時間較長，則必須在升壓信號（變量名為YDD_ON）之前2 ms使能YPASS_O，否則，一旦繼電器吸合晚會造成升壓后的能量無法輸出給整車的問題。

但這種設計存在風險，即YPASS使能時MCU還未能真正判定是否為真實起停需求 （算法只完成了約一半）。假如這樣，可能在不需要起停時，比如由于線路干擾而突然存在的一個假起停使能信號產生，且YPASS由于提前使能未等到采集到足夠的電壓點而誤判定，就會錯誤地把DC／DC變換器輸出由BYPASS回路切換到BOOST回路，這會產生整車用電器用電不穩(wěn)的情況。

解決這個問題的方法就是選用吸合速度較快的繼電器，讓YPASS和YDD_ON同時使能，即起停需求采集到足夠多信號，足以完全正確地判定起停需求為真且達到六西格瑪水平時才同時使能兩個控制信號。

5 總結

DC／DC變換器的系統(tǒng)在市場中得到應用，在其應用中的建壓時間匹配是整個起停系統(tǒng)設計的難點，其中 “需求分析”決定了系統(tǒng)芯片及電路的選型。需求分析不需要從整個系統(tǒng)的匹配來考慮，包括選用的發(fā)電機充電策略和電池電壓，繼電器選型策略及起停控制策略等來總體考量，不能僅從升壓電路的設計孤立地進行設計。

［1］余開江，康龍云.復合能源電動汽車雙向DC變換器控制研究［J］.電氣傳動， 2011， 41 （2）： 19-22.

［2］廖敏，胡永貴.一種高效降壓型DC／DC變換器控制電路的設計［J］.微電子學， 2010， 40 （3）： 400-405.

［3］劉簾曦，楊銀堂，朱樟明.一種峰值電流控制模式的大功率DC-DC變換器轉換器芯片設計［J］.西安電子科技大學學報， 2011， 38 （2）： 135-140.

［4］Abraham I.Pressman.Switching PowerSupply Design（Second Edition）［M］.2008， 242-244.

［5］熊宇，朱光勇，高潮.一種應用耦合集成磁路的開關變流器優(yōu)化設計［J］.電力電子技術， 2010， 44 （8）： 68-70.