解讀安森美48V-12V DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案

自從1898年汽車首次采用電氣照明以來，市場對于汽車電氣特性和功能的需求日益增長。隨著12V系統(tǒng)的局限性逐漸凸顯，汽車行業(yè)正逐步轉(zhuǎn)向48V系統(tǒng)。這一轉(zhuǎn)變不僅是為了提供更大的電力容量，縮小電線和連接器的尺寸，也是為了支持更多先進的電氣功能，并有效降低能耗。

在當前的輕度混合動力汽車(MHEV)中，通常會配備兩塊電池：一塊48V電池和一塊傳統(tǒng)12V電池。其中，48V-12V DC-DC轉(zhuǎn)換器起到了關鍵作用，它將這兩塊電池連接起來，確保電力系統(tǒng)的高效運行。48V電池主要用于支持車輛的高性能需求和節(jié)能特性，而12V電池則繼續(xù)負責為諸如信息娛樂系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)和安全模塊等較低功率的設備供電。這種設計既保證了系統(tǒng)的兼容性，又促進了新技術的應用和發(fā)展。

本文為“48V-12V DC-DC 轉(zhuǎn)換器”系統(tǒng)解決方案指南的第二部分，將重點介紹解決方案。

解決方案概覽

基于非隔離降壓 - 升壓拓撲結(jié)構(gòu)的 DC-DC 雙向轉(zhuǎn)換器

功率級

在此應用中，普遍采用的功率級拓撲結(jié)構(gòu)是非隔離同步降壓轉(zhuǎn)換器。同步開關也便于雙向電流流動， 從而實現(xiàn)升壓模式運行。從48V側(cè)來看，該配置可用作同步降壓轉(zhuǎn)換器;而從12V側(cè)來看，其功能則轉(zhuǎn)變?yōu)橥缴龎恨D(zhuǎn)換器。

在12V-48V車載系統(tǒng)中，電池連接到DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出端，這有助于降低輸出電壓紋波。為了進一步減小升壓模式下的輸出電壓紋波，在48V側(cè)設置了一個L-C濾波器。另一種降低輸出電壓紋波的方法是將功率分散到更多交錯相位上。需要注意的是，對于降壓模式和升壓模式，L-C濾波器都可能影響轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性。此外，還需要考慮到電感器的飽和電流必須超過平均直流電流，而電容器在設計中也需滿足相應的紋波電流要求。

雙向功能對輸入和輸出電容器的選擇有著重要影響。為了實現(xiàn)雙向工作， 功率級內(nèi)部的電容器會動態(tài)地轉(zhuǎn)換功能。選擇輸出電容容量需要在減少輸出電壓紋波、過沖和系統(tǒng)成本之間進行權衡。過多的輸出電容量也會反過來影響瞬態(tài)響應時間。

功率級：交錯非隔離雙向降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)

多相轉(zhuǎn)換器

考慮采用多達 6 個交錯(并聯(lián)) 功率級(相位) 的多相 DC-DC 雙向轉(zhuǎn)換器。多相轉(zhuǎn)換器是大功率應用的合理選擇， 與單相轉(zhuǎn)換器相比， 多相轉(zhuǎn)換器具有輸出紋波更低、 可使用更小的電容器、 瞬態(tài)響應更快等優(yōu)點。其他優(yōu)勢還包括電感器尺寸更小， PCB 上的功率耗散得到改善。

功率級內(nèi)部的MOSFET必須能承受高電流， 并對整個系統(tǒng)的效率產(chǎn)生顯著影響。導通損耗和開關損耗共同構(gòu)成了晶體管上的功率耗散。需要考慮的主要參數(shù)包括導通電阻RDS(ON)、 柵極電荷以及寄生元件等， 它們能在導通損耗和開關損耗之間取得平衡。

安森美用于低壓和中壓 MOSFET 的新型 T10 技術是理想的選擇， 該技術采用屏蔽柵極溝道設計， 具有超低 QG 和RDS(ON) < 1m 的特性。

T10技術通過其行業(yè)領先的軟恢復體二極管(Qrr, Trr) 減少了振鈴、 過沖和噪聲， 實現(xiàn)了性能與恢復特性之間的完美平衡。

48V 系統(tǒng)中的元器件冗余

48V 電力網(wǎng)絡的元件冗余對于確保電力系統(tǒng)的可靠性和彈性至關重要。在單個元件發(fā)生故障時， 冗余元件可作為備份，防止整個系統(tǒng)中斷。這對于控制制動、 轉(zhuǎn)向和安全氣囊等關鍵安全系統(tǒng)尤為重要。車載環(huán)境帶來了各種挑戰(zhàn)， 包括振動、 溫度波動、 潛在的元件故障和短路風險。

冗余有助于提高車輛電氣結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)健性， 確保在部件故障、 意外損壞的情況下實現(xiàn)連續(xù)和不間斷的功能， 并降低與電氣短路相關的風險。

轉(zhuǎn)向 48V 架構(gòu)能夠加速采用 ADAS 和更高級別的自動駕駛功能， 例如線控轉(zhuǎn)向和線控制動， 在這些功能中， 對冗余、容錯和可靠性的要求至關重要。與 12V 系統(tǒng)相比， 48V 系統(tǒng)對這些高峰值負載設備的冗余驅(qū)動變得更輕便、 更具成本效益。

帶有冗余開關的48V 冗余電力總線可防止故障從一條電力總線傳播到另一條總線。這可確保在系統(tǒng)的某個部分發(fā)生故障時， 關鍵功能可無縫轉(zhuǎn)移到未受影響的通路上。

表 1 展示了安森美的一些器件， 這些器件可通過構(gòu)建冗余網(wǎng)絡提高 48V 電氣架構(gòu)的穩(wěn)健性和可靠性。本《系統(tǒng)解決方案指南》 的后續(xù)章節(jié)將介紹各個建議器件。

表 1：在 48V 系統(tǒng)中建立冗余的器件建議

電子保險絲(eFuse) NIV3071 可保護多達 4 個獨立的 48V 下游負載免受輸出短路、 過載和過流事件的影響。電源可安全地驅(qū)動 4 個受保護的獨立負載， 每個負載的連續(xù)電流為 2.5A。此外， eFuse可配置成單通道模式， 用于驅(qū)動高達10A的單一連續(xù)負載電流。

用于 48V 和 MHEV 應用的集成式汽車電源模塊(APM)

安森美提供了多種封裝形式的汽車MOSFET模塊系列， 專為 48V 系統(tǒng)、 MHEV 和低壓牽引系統(tǒng)中的電源應用而設計。

APM21 模塊的發(fā)布進一步豐富了安森美適用于汽車應用的高性能、 高可靠性壓鑄模(transfer-molded) 模塊產(chǎn)品線。

APM系列提升了高度集成的緊湊型設計， 具有低雜散電感和更好的抗電磁干擾(EMI) 表現(xiàn)。高效的電流處理消除了PCB 中大電流通路的必要性。

NXV10V160ST1 APM21 集成了 6 個 100V MOSFET(3x 半橋) ， 可處理如 48 V 逆變器、 電子壓縮機和其他大功率輔助設備等3相典型應用。

APM19 模塊：FTC03V85A1 是一款 80 V 低 RDS(ON)模塊， 具有一個經(jīng)過優(yōu)化的 3 相 MOSFET 電橋， 可用于構(gòu)建 1.5kW 48V-12V 交錯式DC-DC轉(zhuǎn)換器。兩個模塊可組成一個 6 相 3kW 轉(zhuǎn)換器。

NXV08V110DB1 是一款 80 V 低 RDS(ON)APM19 模塊，經(jīng)過優(yōu)化可用作變速電機驅(qū)動的三相逆變橋。

APM19 模塊包括一個用于電流檢測的精密分流電阻、一個用于溫度檢測的 NTC 和一個 RC 緩沖器電路。

用于 48V 和 MHEV 應用的集成式汽車電源模塊(APM)

APM12 是一款成熟可靠的 80V 單相逆變器模塊(NXV08A170DB2) ， 具有電流檢測、 溫度檢測及緩沖電路功能。通過將n個APM12模塊堆疊使用， 可以轉(zhuǎn)換成n相電機逆變器。

APM17 模塊配置為雙半橋(兩相模塊) ， 可方便地通過外部連接構(gòu)成單半橋， 以適用于兩倍相電流。

AMP17 示例：NXV08H250DT1、 NXV08H400EXT1?？蓪⑷齻€ APM17 模塊配置在一起， 以驅(qū)動三相電機或六相電機( 48V 主逆變器) 。

?雜散電感低：APM17 可使 25kW 48V 逆變器系統(tǒng)的總雜散電感小于 15nH。

?結(jié)阱熱阻最低。

?設計緊湊， 模塊總電阻低。

高效的大電流處理， PCB上無需大電流通路。

對于 20~25kW， 可將 24~36 個 MOSFET 減少到3 個 APM。

?該系列提供絕緣陶瓷 DBC 基板選項， 以提供標準和優(yōu)質(zhì)的熱性能。

?多種 RDS(ON)額定值可滿足最終用戶的電流要求， 且有多種引腳輸出選項可供不同系統(tǒng)設計選用。

封裝種類：標準、 壓接式、 PCB側(cè)安裝引腳。

APM17 - 用作電池和負載開關的背對背 MOSFET 模塊

NXV08B800DT1 是汽車用雙通道背對背 MOSFET 功率模塊，80V， 0.58mΩ， 采用共源極連接?？稍?48V MHEV 應用中作為電池或負載開關出色地工作(如下圖所示) 。

電氣隔離 DBC 基板， 實現(xiàn)低 Rthjc， 集成溫度檢測功能。

低結(jié)阱熱阻。

優(yōu)化的雜散電感與高度集成的緊湊設計。

適用于雙向系統(tǒng)， 輸入路徑隔離。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器內(nèi)的斷路開關

DC-DC 轉(zhuǎn)換器的每一側(cè)都應具備通過斷路開關(斷路器) 與相應的電源軌斷開連接的能力。最佳解決方案是采用雙背靠背 N-MOSFET 配置， 盡管 48V 側(cè)只需要單個 MOSFET。

安森美 MOSFET 具有較低的 RDS(ON)， 額定電壓范圍為 40V 至 100V， 滿足上述要求， 可將功率路徑上的導通損耗降至最低。斷路開關還應為轉(zhuǎn)換器提供過壓和過流保護。48V/12V 斷路開關的受保護側(cè)可作為電壓檢測電路的參考點。

12V 電池側(cè)

用戶通?？梢灾苯咏佑|到車輛中的 12V 電池， 這就對系統(tǒng)提出了嚴格的要求， 需要在用戶誤接電池正負極時提供反向極性保護。因此， 在斷路開關中采用背對背 MOSFET 配置， 是為了在電池極性接反的情況下保護轉(zhuǎn)換器不受損害。當系統(tǒng)關閉時， DC-DC 轉(zhuǎn)換器必須從兩個電源軌上斷開連接， 以防止在非工作時段產(chǎn)生電流消耗。

MOSFET：低壓和中壓

安森美提供了廣泛適用于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器、 電機控制及其它 48V 汽車應用的低壓(LV) 和中壓(MV) MOSFET 產(chǎn)品。

設計人員可以從提供不同特性的多種元器件技術中進行選擇。80V 至 100V MOSFET 可用于轉(zhuǎn)換器功率級、 48V 輔助設備和其他應用。而對于 12V 電源軌和傳統(tǒng)的 12V 應用， 40V 低壓 MOSFET 具有良好效能。

T10 屏蔽柵極溝槽技術

新型 T10 屏蔽柵極溝槽技術主要針對 DC-DC 轉(zhuǎn)換應用(T10S 型號) 及電機控制、 負載開關(T10M 型號) 領域。該技術旨在優(yōu)化效率， 降低輸出電容及關鍵性能指標， 同時實現(xiàn)更低的導通電阻 RDS(ON)和柵極電荷 QG。其中， 出色的 40V溝 槽 技 術 產(chǎn) 品 NVMFWS0D4N04XM ， RDS(ON)可 低 至 0.42m? ， 采 用 小 巧 的 5x6 封 裝 。而 對 于 80V 的 選 項NVBLS0D8N08X， RDS(ON)則可低至 0.79m? 。

頂部冷卻封裝(TCPAK)

MOSFET 因其功率大、 體積小而被廣泛選用。然而， 傳統(tǒng)表面貼裝器件(SMD) 的散熱效果并不理想， 因為熱量主要通過PCB板傳播。為了解決這一問題并進一步縮小器件尺寸， 我們開發(fā)了一種新型頂部冷卻 (Top Cool) MOSFET 封裝， 它將 MOSFET 的引線框架(漏極) 在封裝的頂部外露。這一設計避開了通過 PCB 進行散熱的方式。TCPAK57 是

5.1 x 7.5 mm的緊湊型封裝。

NVMJST0D9N04C 40V 版本的最低 RDS(ON)為 1.07 mΩ。

NVMJST2D6N08H 80V 版本的最低 RDS(ON)為 2.8 mΩ。

Top Cool 技術使得 PCB 的兩面均可利用，從而實現(xiàn)更高的功率密度。

降低 PCB 溫度，延長系統(tǒng)使用壽命。

通過避開 PCB 的熱傳導路徑，改善散熱。

引腳封裝(鷗翼形引腳)增強了板級可靠性。

銅夾(Cu clip)連接，最小化封裝電阻。

T10 MOSFET 技術：中壓 80V 和 低壓 40V

新型 T10(S) 屏蔽柵極溝槽設計適用于 DC-DC 轉(zhuǎn)換(開關應用)，旨在優(yōu)化效率、低輸出電容和 FOM 系數(shù)。與傳統(tǒng)的 T8 溝槽柵極技術相比， T10 實現(xiàn)了：

更低的 RDS(ON)和柵極電荷 QG， RDS(ON)< 1mΩ， QG <10 nC。

更低的 Rsp(RDS(ON)vs 面積)

改進了 FOM(Rdsx Qoss/QG/Qgd)，提高了性能和整體效率。

業(yè)界領先的軟恢復體二極管(Qrr、 Trr)，減少了振鈴、過沖和噪聲。

用于 80V 、 100V MOSFET 和功率模塊的柵極驅(qū)動器

FAD3151MXA和FAD3171MXA是 110V、 2.5A 單通道浮置汽車柵極驅(qū)動器， 適用于驅(qū)動高達 110 V 的高速功率MOSFET。這些驅(qū)動器采用 SOI 技術設計， 非常適合需要抗嚴重負瞬態(tài)和高達 -80 V 接地電壓偏移等抗擾性的應用。

除DC-DC轉(zhuǎn)換器外， 它們還可用于多種 48V 應用， 如電池開關、 輔助設備(暖通空調(diào)、 電子渦輪增壓) 、 PTC 加熱器、起動機-發(fā)電機。

特性：

具有軟關斷功能的漏極-源極去飽和檢測

內(nèi)置電荷泵，支持 100% 占空比操作(僅限 FAD3171MXA)

具備欠壓鎖定保護(UVLO)保護、雙向故障指示引腳

可應對高達 -80V 的負瞬態(tài)電壓，快速負載轉(zhuǎn)換 dVs/dt 抗擾度超過 ± 50 V/ns

設計資源：

?應用筆記 AND90251/D：FAD3151MXA 和 FAD3171MXA 原理圖、示例和電路分析

?教程：通用隔離和柵極驅(qū)動器概述

用于 DC-DC 轉(zhuǎn)換的高壓側(cè)和低壓側(cè)驅(qū)動器

NCV51513和NCV51511是專為汽車應用設計的高壓和低壓側(cè)柵極驅(qū)動器， 具有高驅(qū)動電流能力和多種配置選項， 特別針對 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器和逆變器進行了優(yōu)化。這些驅(qū)動器旨在驅(qū)動采用半橋或同步降壓配置的 MOSFET。

NCV51513 在高頻工作下具有同類極佳的傳播延遲、 低靜態(tài)電流和低開關電流。它有兩個版本供選擇， 分別對應不同的傳播延遲時間。帶濾波器版本的典型傳播延遲為 50 ns， 而不帶濾波器版本的典型傳播延遲為 20 ns。它的 dV/dt 抗擾度高達 50 V/ns， 對于 1 nF 負載， 上升/下降時間分別為 9 ns 和 7 ns。

電子保險絲(eFuse) NIV3071NIV3071是 一 款 8V 至 60V 、 10A 電 子 保 險 絲(eFuse) ， 采用 5x6mm 小型封裝， 集成了 4 個獨立通道(每個通道 2.5A) 。

可驅(qū)動 4 個獨立的 2.5A 負載， 或?qū)?eFuse 輸出短接在一起， 48V內(nèi)可承載獨立 10A 連續(xù)負載電流。

保護 12V 和 48V 下游負載免受輸出短路、 過載和過流事件的影響。

適用于汽車區(qū)域控制單元(區(qū)域控制架構(gòu)) ， 確保整個車輛各局部 ECU 得到保護并保持穩(wěn)健。

保護 48V 汽車車身控制模塊、 ADAS 域控制器、遠程信息處理、 線束保護。

軟啟動、 可配置電流限制、 控制和狀態(tài)監(jiān)測引腳

評估板 NIV3071MTW4GEVB 支持原型設計和測試。

NCV12711 - 12V 輔助電源 - 峰值電流 PWM 控制器

NCV12711是一款固定頻率、 峰值電流模式PWM控制器， 具有實施單端功率轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)(反激式、 正激式轉(zhuǎn)換器)所需的必要性能。它具有 4-45V 寬輸入范圍， 可用作輔助電源的 DC-DC 控制器。

工作頻率 100kHz 至 1MHz， 帶斜率補償(防止次諧波振蕩， 改善 EMI) 。

1A 拉電流/灌電流柵極驅(qū)動器。無需輔助繞組。

輸入電壓支持欠壓鎖定(UVLO) 、 過功率保護、 可編程軟啟動。

評估板NCV12711FLOATGEVB：12V/1A 初級側(cè)調(diào)節(jié)， 無需輔助繞組。

數(shù)字隔離器

數(shù)字隔離器因其在溫度和時間上的穩(wěn)定性而廣泛應用于汽車領域。NCIV9211、 NCIV9311、 NCIV9401 是具有 2/3/4 通道的高速雙向陶瓷數(shù)字隔離器系列。它們采用安森美獲得專利的片外電容隔離技術和優(yōu)化的集成電路設計， 實現(xiàn)了高達 2kV 的絕緣和抗噪能力。片外陶瓷電容器既是隔離屏障， 也是使用開關鍵控(OOK) 技術進行信號切換的傳輸介質(zhì)。

隔離的典型應用：PWM 控制、 MCU 接口、 可編程邏輯控制、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、 電壓電平轉(zhuǎn)換。