雙向100V/30V兩相同步降壓解決方案

隨著自主駕駛車(chē)輛和汽車(chē)連接技術(shù)的進(jìn)步，以及燃料經(jīng)濟(jì)性法規(guī)的日趨收緊，傳統(tǒng) 12 伏特汽車(chē)電氣系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了使用極限。除此之外，連接到汽車(chē)電氣系統(tǒng)的應(yīng)用也在持續(xù)增加，從而產(chǎn)生了更高的電力需求，這也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。因此，傳統(tǒng)的 3 kW、12 V 汽車(chē)電源系統(tǒng)必須得到補(bǔ)充。

在新近提出的 LV148 汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)中，人們將 48 V 二級(jí)總線與現(xiàn)有的 12 V 系統(tǒng)相結(jié)合。48 V 電源軌中包含的一些組件有：

• 帶式起動(dòng)發(fā)電機(jī)或集成式起動(dòng)發(fā)電機(jī) (ISG)

• 48 V 鋰離子電池

• 雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可通過(guò) 48 V 和 12 V 組合式電池提供高達(dá) 10 kW 的電能

隨著汽車(chē)制造商竭力滿足要求日益嚴(yán)苛的 CO2 排放目標(biāo)，此項(xiàng)技術(shù)專門(mén)瞄準(zhǔn)混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)和傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車(chē)。

一般來(lái)說(shuō)，12 V 總線的角色仍然是為照明、信息娛樂(lè)、音響和點(diǎn)火等系統(tǒng)供電。48 V 總線將為可調(diào)懸架系統(tǒng)、電動(dòng)渦輪/超級(jí)增壓器、空調(diào)壓縮機(jī)、主動(dòng)底盤(pán)、再生制動(dòng)等其他系統(tǒng)供電。48 V 總線還將能夠支持引擎起動(dòng)，使得啟停操作更加平穩(wěn)，預(yù)計(jì)很快將在量產(chǎn)車(chē)型上投入使用。

使用更高電壓的總線還具備另外一大優(yōu)勢(shì)，即減小電纜截面積，從而減小電纜尺寸和重量。這一優(yōu)勢(shì)是極其重要的，因?yàn)楫?dāng)今高端汽車(chē)中的布線長(zhǎng)度可能超過(guò) 4 公里。

汽車(chē)變得越來(lái)越像車(chē)輪上的計(jì)算機(jī)。這為連接很多即插即用式設(shè)備創(chuàng)造了可能性。通勤者平均每天有 9% 的時(shí)間在汽車(chē)?yán)锒冗^(guò)，因此將遠(yuǎn)程信息處理和多媒體引入汽車(chē)，可以提高工作效率，并且?guī)?lái)更多娛樂(lè)。

正如之前所說(shuō)，自主駕駛車(chē)輛是驅(qū)動(dòng)電能需求增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿χ?，因?yàn)槔走_(dá)、LiDAR、傳感器、攝像頭和計(jì)算機(jī)等組件都需要供電。另外，改進(jìn)汽車(chē)連接技術(shù)也需要更多電能。汽車(chē)不僅必須能連接到互聯(lián)網(wǎng)，還要連接到交通信號(hào)燈、其他汽車(chē)、建筑物以及其他結(jié)構(gòu)。此外，油泵和水泵、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)組件都將逐漸從機(jī)械驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電力驅(qū)動(dòng)。

很多汽車(chē)供應(yīng)商都預(yù)測(cè)，市場(chǎng)在未來(lái)幾年內(nèi)對(duì)自主駕駛車(chē)輛所需的技術(shù)構(gòu)件的需求將非常旺盛。但是，48 V 電池系統(tǒng)帶來(lái)的益處在目前就能夠體現(xiàn)出來(lái)。例如，有些汽車(chē)制造商聲稱，采用 48 V 電氣系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)可將燃油經(jīng)濟(jì)性提升 10% 至 15%。這樣還可以相應(yīng)地減少 CO2 排放量。

此外，未來(lái)在采用 48 V/12 V 雙系統(tǒng)的汽車(chē)中，工程師將能夠集成電力壓力器技術(shù)。這種技術(shù)能夠獨(dú)立于引擎負(fù)載而工作，從而幫助改善加速性能。例如，已處于高級(jí)開(kāi)發(fā)階段的壓縮機(jī)將置于中冷器和進(jìn)氣系統(tǒng)之間。壓縮機(jī)將采用 48 V 電源來(lái)啟動(dòng)渦輪。

然而，對(duì)于這個(gè)領(lǐng)域的供應(yīng)商而言，由于汽車(chē)增加了額外的 48 V 電源網(wǎng)絡(luò)，他們將面臨很多重大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。舉一個(gè)具體的例子，半導(dǎo)體和電子控制單元 (ECU) 的供應(yīng)商必須重新設(shè)計(jì)自己的產(chǎn)品，使其能夠在更高的 48 V 總線電源電壓下工作。此外，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的供應(yīng)商必須開(kāi)發(fā)專用 IC，以處理更高功率的電能傳輸。為了滿足這種需求，Linear Technology 開(kāi)發(fā)的一系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器能夠高效地處理更高的電能傳輸，它們既能實(shí)現(xiàn)節(jié)能，又能最大程度地減少所需的熱設(shè)計(jì)。

隨著 12 V/48 V 雙電池汽車(chē)系統(tǒng)即將投入使用，市場(chǎng)對(duì)雙向降壓和升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的需求非常明顯。利用這種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，我們可為任一電池充電，并在需要時(shí)向同一個(gè)負(fù)載供應(yīng)電流。很多早期的 48 V/12 V 雙電池 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)采用單獨(dú)的功率元件來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓和降壓。但 Linear Technology 新近發(fā)布的 LTC3871 雙向 DC/DC 控制器打破了常規(guī)。該控制器采用相同的外部功率元件來(lái)進(jìn)行降壓及升壓轉(zhuǎn)換。

一體化雙向 IC 解決方案

LTC3871 是一款雙向 100 V/30 V 兩相同步降壓或升壓控制器。它能夠在 12 V 和 48 V 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之間提供雙向 DC/DC 控制和電池充電。它可在升壓模式（從 12 V 總線至 48 V 總線）和降壓模式（從 48 V 總線至 12 V 總線）下工作。施加的控制信號(hào)可按需配置任意一種模式。對(duì)于高電流應(yīng)用（最高達(dá) 250 A），由于最多 12 個(gè)相位可以并聯(lián)和異相定時(shí)，因而可以最大程度地減少輸入和輸出濾波要求。該器件的高級(jí)電流模式架構(gòu)在并聯(lián)相位之間提供了出色的電流匹配。12 相設(shè)計(jì)可在降壓模式或升壓模式下提供最高 5 kW 的功率。

當(dāng)需要更多電能時(shí)，例如要起動(dòng)引擎，LTC3871 允許兩個(gè)電池同時(shí)提供電能。使用該器件可達(dá)到最高 97% 的效率。片上電流編程回路可調(diào)節(jié)輸送至負(fù)載的最大電流。該器件共有 4 個(gè)控制回路，其中 2 個(gè)用于電壓，2 個(gè)用于電流，可在 12 V 或 48 V 總線上實(shí)現(xiàn)電壓和電流控制。

LTC3871 在介于 60 kHz 和 475 kHz 之間的用戶可選固定頻率下工作，并能同步到頻率位于相同范圍內(nèi)的外部時(shí)鐘。此外，用戶還可選擇輕負(fù)載工作，使用脈沖跳頻或連續(xù)工作模式。該器件的其他特性包括：欠壓和過(guò)壓閉鎖、針對(duì)降壓和升壓模式的獨(dú)立回路補(bǔ)償、過(guò)載和短路保護(hù)、整個(gè)溫度范圍內(nèi) ±1% 輸出電壓調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度，以及用于提高效率的 EXTVcc。LTC3871 專門(mén)針對(duì) ISO26262 系統(tǒng)的診斷覆蓋率而設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)證符合 AEC-Q100 汽車(chē)規(guī)范。

LTC3871 采用熱增強(qiáng)型 48 引腳 LQFP 封裝，分為三個(gè)溫度級(jí)版本。這些溫度級(jí)包括在 -40°C 至 150°C 范圍內(nèi)工作的高溫汽車(chē)系列，以及在 -40°C 至 125°C 范圍內(nèi)工作的擴(kuò)展和工業(yè)級(jí)別系列。圖 1 顯示了該器件的典型應(yīng)用示意圖。示意圖頂部的 P 溝道 MOSFET 用于提供短路和過(guò)流保護(hù)。

圖 1：典型 LTC3871 雙向應(yīng)用示意圖顯示了從 26 V 至 58 V 輸入產(chǎn)生的 12 V 輸出，能夠提供 30 A 電流。（圖片來(lái)源：Linear Technology）

集成式起動(dòng)發(fā)電機(jī) (ISG)

汽車(chē)中的起動(dòng)機(jī)和交流發(fā)電機(jī)都能被電子控制式 ISG 取代。這樣可以帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)：

• 無(wú)需起動(dòng)機(jī) - 常規(guī)引擎工作過(guò)程中唯一的無(wú)源元件

• 無(wú)需曲軸和交流發(fā)電機(jī)之間的皮帶和皮帶盤(pán)耦合

• 在負(fù)載突降過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電壓的快速控制

• 無(wú)需當(dāng)前使用的某些繞線轉(zhuǎn)子交流發(fā)電機(jī)中的電刷和滑環(huán)

ISG 具有三個(gè)重要功能，即動(dòng)力輔助、發(fā)電、啟停功能。ISG 能夠通過(guò)再生制動(dòng)產(chǎn)生電能，從而幫助汽車(chē)減速。通過(guò)再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能將為 48 V 電池充電，從而降低燃油消耗，進(jìn)而減少 CO2 排放。此外，當(dāng)引擎運(yùn)行時(shí)，ISG 可以產(chǎn)生電能，這與傳統(tǒng)交流發(fā)電機(jī)相似。最后，ISG 可在停車(chē)時(shí)讓內(nèi)燃機(jī)關(guān)閉以節(jié)省燃油，而在踩壓油門(mén)踏板時(shí)可瞬時(shí)重新起動(dòng)引擎。此過(guò)程所涉及的即一般所稱的“啟停系統(tǒng)”。在此系統(tǒng)中，ISG 有助于在引擎起動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的轉(zhuǎn)換。

圖 2 所示的框圖顯示了 LTC3871、ISG 以及 12 V 和 48 V 電池如何整合到典型內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)中。

圖 2：LTC3871 典型汽車(chē)應(yīng)用框圖。（圖片來(lái)源：Linear Technology）

降壓和升壓模式

一個(gè)簡(jiǎn)單的控制信號(hào)即可動(dòng)態(tài)無(wú)縫地將 LTC3871 從降壓模式切換為升壓模式，反之亦然。借助兩個(gè)單獨(dú)的誤差放大器（一個(gè)用于 VHIGH 調(diào)節(jié)，另一個(gè)用于 VLOW 調(diào)節(jié)），可對(duì)降壓和升壓模式的回路補(bǔ)償進(jìn)行獨(dú)立微調(diào)，從而優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。在降壓模式下時(shí)，對(duì)應(yīng)的誤差放大器 ITHLOW 啟用，它將控制峰值電感器電流。相反，在升壓模式下時(shí)，ITHHIGH 啟用，ITHLOW 被禁用。在從升壓至降壓或從降壓至升壓的模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，內(nèi)部軟啟動(dòng)被復(fù)位，ITH 引腳將置于零電流水平，以確保向新模式的平滑轉(zhuǎn)換。

多相供電

可對(duì)多個(gè) LTC3871 進(jìn)行菊花鏈連接，并實(shí)現(xiàn)異相運(yùn)行，以便在不增加輸入和輸出電壓紋波的情況下，提供更大的輸出電流。將一個(gè) LTC3871 的 SYNC 引腳連接到另一個(gè) LTC3871 的 CLKOUT 引腳，可讓第二個(gè)器件同步到第一個(gè)器件。將 CLKOUT 信號(hào)連接至下一個(gè) LTC3871 級(jí)的 SYNC 引腳，將使整個(gè)系統(tǒng)的頻率和相位保持一致。最多可實(shí)現(xiàn) 12 個(gè)相位的菊花鏈連接，相互之間同時(shí)異相運(yùn)行。

LTC3871 的演示板 DC2348A 可配置為二相或四相，使用一個(gè)或兩個(gè) LTC3871。圖 3 顯示了四相版本。在降壓模式下工作時(shí)，該演示電路具有 30 V 至 75 V 的輸入電壓范圍，產(chǎn)生 12 V 的輸出，提供最高 60 A 的電流。當(dāng)該演示電路在升壓模式下工作時(shí)，具有 10 V 至 13 V 的輸入電壓范圍，產(chǎn)生 48 V 的輸出，提供最高 10 A 的電流。

圖 3：LTC3871 四相演示板。（圖片來(lái)源：Linear Technology）

圖 4 是采用兩個(gè) LTC3871 器件的四相演示板的典型效率曲線。降壓模式曲線顯示演示板從 48 V 降壓至 12 V（最高 60 A 的電流）的效率，而升壓曲線則顯示演示板從 12 V 升壓至 48 V（最高 10A 的電流）的效率。我們可以注意到，兩條曲線的峰值效率均為 97%。

圖 4：LTC3871 的降壓和升壓效率曲線（采用四相設(shè)計(jì)）（圖片來(lái)源：Linear Technology）

過(guò)流保護(hù)

在降壓模式下時(shí)，LTC3871 提供電流折返保護(hù)，在過(guò)流情況下或當(dāng) VLOW 接地時(shí)，該功能可以限制功率耗散。電流折返保護(hù)在軟啟動(dòng)條件下自動(dòng)啟用。如果 VLOW 降低至標(biāo)稱輸出電平的 85% 以下，則最大檢測(cè)電壓從最大設(shè)定值逐漸降低至原來(lái)的三分之一。在短路情況下，LTC3871 將以非常低的占空比開(kāi)始周期跳步，以限制短路電流。

在典型的升壓控制器中，同步二極管或同步 MOSFET 的體二極管會(huì)將電流從輸入端傳導(dǎo)至輸出端。因此，如果沒(méi)有采用阻流二極管或 MOSFET 來(lái)阻隔電流，則輸出 (VHIGH) 短路將下拉輸入 (VLOW)。當(dāng) VHIGH 短路至接地時(shí)，LTC3871 使用外部低 RDS(ON) P 溝道 MOSFET 來(lái)提供輸入短路保護(hù)。P 溝道 MOSFET 始終保持正常工作，其柵源電壓被箝位至 15 V 最大值。當(dāng) UVHIGH 引腳電壓降低至 1.2 V 閾值以下時(shí)，F(xiàn)AULT 引腳在 125 μs 之后置于低電平。發(fā)生這種情況時(shí)，PGATE 引腳會(huì)關(guān)閉外部 P 溝道 MOSFET。

總結(jié)

通過(guò) LTC3871，我們可將相同的外部功率元件同時(shí)用于升壓和降壓用途，從而將 48 V/12 V 雙電池 DC/DC 汽車(chē)系統(tǒng)提升到全新性能水平，并且優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化。該器件可自動(dòng)在降壓模式（從 48 V 降低至 12 V）或升壓模式（從 12 V 升高至 48 V）之間切換。對(duì)于更高功率的應(yīng)用，例如引擎啟動(dòng)，可將最多 12 個(gè)相位并聯(lián)，LTC3871 允許兩個(gè)電池同時(shí)為同一個(gè)負(fù)載提供電能。新增的 48 V 電池將為汽車(chē)的一部分電氣系統(tǒng)供電，從而增加可用的電能，減輕線束重量和降低電能損失。這些額外電能可催生出新技術(shù)，有利于提升汽車(chē)的安全性和效率，并且降低 CO2 排放量。