汽车DC／DC变换器建压时间与起停时序匹配研究

2015-06-13邓恒

汽车电器 2015年8期

邓恒

（上海汽车集团股份有限公司，上海 201805）

DC／DC变换装置的作用是为了保证汽车在起停功能实现瞬间整车的电源正常，稳定整车用电器的供电电压和保证整车舒适性、安全性、动力性。一个合理的系统要求在 “起动指令下达瞬间”至 “起动机开始转动临界”的这一短暂间隙，DC／DC变换器能合理地识别并且在正确的时间开始工作。没有DC／DC变换器激励时机分析的设计，如手工概念DC／DC变换器样机，没有对DC／DC变换器激励时间及整车系统反应时间作出详细指标要求，所以整车的仪表及收音机会有轻微的视觉和听觉上的负面影响，以及对DC／DC变换器供电的整车变速器ECU及动力性也有负面影响。合理设计整车系统起停反应时间及DC／DC变换器自身的建压时间，对整个起停系统的舒适性、安全性非常重要。

1 起停系统的时序需求分析

起停的再起动时间影响到客户对于起停延时的感知品质。在红灯变绿时驾驶员多倾向于快速起动整车加速向前，而不是延时很久车才起动。这种起动延时最理想的效果是 “和无起停功能车辆的起动延时主观感受相同”，即让驾驶员无法感知到起停功能的存在。其中，行驶系统的机械匹配决定了整个起停起动瞬间的物理层速度。

驾驶员松开制动时（自动档对起停要求更高），即图1整个起停时起动过程，由于需要快速起动来达到让驾驶员无法感知起停的存在，整个系统运行时间要求在600 ms以内可接受（600ms是根据约50位驾驶员对起停时间的感受而做出的调查结果）。

由于变速器针对起停配置增加了电子油泵加快建压时间，已达到最优化配置。余下起动机动作的时间只有340 ms左右，这个340ms中的大部分时间是被起动机转动及喷油点火占有，其中290ms为松制动到起动机有转速且到达350r／min的过程，由于这部分时间会持续喷油点火，可以通过发动机起动标定来优化。

影响DC／DC变换器选型最重要的工序在起动系统初始化过程（包括起动机和AGM蓄电池），即起动机电压开始下跌之前瞬间，DC／DC变换器必须要BOOST电压到12V状态，留给这一段时间只有约50ms （=340-290ms）。

起动系统初始化过程和影响DC／DC变换器的系统结构见图2。

DC／DC变换器的设计要求既要满足变速器ECU、车内灯、仪表、娱乐等系统的供电容量，还要满足图2中电枢开始动作的临界点A（大于300 A电流）之前供电要求。

2 DC／DC系统级设计

起停系统由BCM车身控制器与EMS发动机控制器联合控制起停的使能，这种设计主要是考虑到基于ISO26262的安全性设计，保证整个系统不会误起动。系统包括车身控制器、BCM控制的起动信号继电器、发动机控制器、EMS控制的起动信号继电器、起动机、KL87发动机使能信号、KL30常电信号、DC／DC变换器。BCM与EMS使能起停主要在图2中B～C阶段。

当转向盘转向角、电池电量SOC、电池SOF、空调系统温差、发动机水温等8个参量达到相应的指标，系统才会允许起停。起停系统（起停ECU或EMS或PMDC等模块）通知DC／DC变换器开始蓄能并准备激励电压。通知DC／DC变换器的方法有2种：①通过CAN总线直接发给DC／DC变换器（如中国大陆DC／DC系统）；②通过硬线DC／DC变换器直接采集继电器电压来得到信号（如博世的DC／DC系统）。

根据整车的实测，CAN总线型结构对DC／DC变换器的升压控制系统的反应速度要求较低，因为其软件无需做硬线信号过滤、去抖、无需算法中对客户起停意图进行校核、无需算法中内嵌起停ECU的MOSFET反应等待时间，但其对DC／DC变换器成本要求较高，需要CAN收发器和较高层次MCU及CAN芯片物理层。CAN总线型理论速度快（即对DC／DC变换器反应时间预留空间较大），这主要是基于假定会有一个良好无延时的CAN数据链路层算法（如明导公司的商业总线配置软件VTP等）。如果协议算法不好，将会延时较大。把DC／DC变换器升压系统的时间压缩得很小，甚至会导致要求比硬线型DC／DC变换器要求还要更高的系统反应时间设计。综合以上，选择硬线型DC／DC变换器系统。

电源接通时间分析见图3，继电器吸合时间见图4。图3中在C点DC／DC变换器就接收到信号，图4中继电器吸合时间为6～12 ms。最严酷的情况是DC／DC变换器在继电器6 ms内就吸合，即要求在6 ms＋8ms的时间范围内就要成功在X点升压到12 V，否则就会引起整车仪表闪烁或重启，或动力不稳等负面影响。

另一种系统设计思路是把成功升压点设计为A点，即C～A范围都是DC／DC变换器的建压时间（而不是C～X区域）。由于从X点推后到A点，DC／DC变换器的升压反应时间也增加了约25ms，这会给DC／DC变换器的升压系统设计留有余地较大（14～20ms以上）及芯片选型带来非常多的选择，从而设计的难度也大大降低。

但这样做也是有缺陷的，如大众POLO起动机电磁开关工作电流约40～70 A，这个电流会在X～A间运行。这种电流虽然比在A点后的300A的起动电流对整车影响小一些，但根据实测，系统电压降也有0.5～2V，会引起整车视觉上的影响，比如仪表导航轻微闪烁。避免有视觉反感的解决方案是选择低内阻的起动机电磁开关或带控制系统的电磁开关，但这样的设计非常昂贵。因此不优先使用C～A区域升压方案。

3 DC／DC变换器硬件及策略设计（针对反应时间）

斩波控制器是直流变流的核心电路，通过PMW来调节电压实现最优控制［1］，其内部控制机制决定了系统反应速度，其工作控制指令及系统控制协调来源于MCU的中央控制软件，斩波控制器在架构中属于隔离能源控制部分和电子控制部分的中间器件，见图5。

DC／DC变换器的MCU要有相应的策略来判定起停需求，主要是判定起动系统硬件结构中发动机控制器EMS使能起停的信号是否为真实起停需求，还是干扰或接触不良产生的信号，以保证DC／DC变换器升压时机有效。有效的判定策略是基于起停使能信号电压波动差值判定和多次电压平均值判定。MCU通过自身的A／D转换在2～3ms内采集多于20次电压。根据多次测试，如果小于2ms可能会产生误判定。通过对电压之间的差值算法及电压的平均值与标准值比较，及A／D采样的补偿算法，判定起停需求是否有效。

由于系统方案选择了X点升压及硬线型DC／DC变换器，因此系统时间要求在14 ms（6 ms＋8 ms）以内。其中2 ms用来MCU判定起停有效性，因此DC／DC变换器斩波芯片的建压时间需要小于12ms。

设计需求是12ms，然后对各种升压芯片进行考查，以TI（德州仪器）、MAXIM （美信半导体）、LT（线性半导体）3个体系芯片进行对比分析。

芯片设计的另一个重要因素还取决于整车企业需求。不同需求会产生3种不同设计，3种不同的系统建压时间设计方法也不相同。

A方案：在起停系统中如果整车厂定义的只有对起动瞬间的电压降支持，那么只需要BOOST单向电路即可。

B方案：整车厂有柔性电压过渡功能（Transition）要求或任意电压点变流需求时，就需要设计可变目标电压BOOST式电路。

C方案：如果整车厂有强制动能量回收功能要求、敏感负载或是对整车灯光声音等负载有特殊要求、柔性电压过渡功能要求时，就需要设计有单向BOOST／BUCK电路。如果整车厂有复合电源起动系统，还可能需要双向升降压变流系统。

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［2］，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100～300W，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［3］，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［4］。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MAX16990制作的样件电路升压时间约17～20 ms，由于系统时间要求12ms，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［5］，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10～11ms，根据分析典型需求为系统建压时间＜14ms，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_O，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。