通過雙向DC/DC控制器 實(shí)現(xiàn)汽車雙電池冗余

背景知識(shí)

正在與Google和Uber等科技巨頭以及知名創(chuàng)業(yè)公司合作開發(fā)新一代自動(dòng)駕駛汽車，這些汽車技術(shù)將改變我們的城市道路和高速公路，為未來(lái)的智慧城市奠定基礎(chǔ)。他們種種跡象表明，自動(dòng)駕駛汽車的革命性發(fā)展即將全面來(lái)臨。汽車公司將利用機(jī)器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和云技術(shù)等加速這一發(fā)展。

更重要的是，自動(dòng)駕駛汽車將繼續(xù)推動(dòng)已經(jīng)由Uber和Lyft等共享出行服務(wù)商發(fā)起的行業(yè)變革。各類技術(shù)匯集在一起，將創(chuàng)造一個(gè)由智能無(wú)人駕駛車輛組成未來(lái)交通的世界。

最終，所有自動(dòng)駕駛汽車都將通過集成傳感器、攝像頭、雷達(dá)、高性能GPS、光探測(cè)和測(cè)距（激光雷達(dá)）、人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)，以實(shí)現(xiàn)一定程度的自治。而其與安全和可擴(kuò)展的物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)管理和云解決方案的連接也很重要，因?yàn)樗鼈優(yōu)槭占?、管理和分析傳感器?shù)據(jù)提供了具有彈性和高性能的基礎(chǔ)。

從環(huán)境效益到安全性的提升，車聯(lián)網(wǎng)的興起都具有深遠(yuǎn)的社會(huì)影響。路上汽車的減少也意味著減少了溫室氣體排放，從而降低了能耗并改善了空氣質(zhì)量。

對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車和智能道路系統(tǒng)而言，端點(diǎn)遙測(cè)、智能軟件和云技術(shù)都是不可或缺的。自動(dòng)駕駛汽車中的車載攝像頭和各類傳感器收集大量數(shù)據(jù)，同時(shí)這些數(shù)據(jù)必須得到實(shí)時(shí)的處理以使車輛行駛在正確的車道上，并安全地駛向目的地。

基于云技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)和連接也是這一系統(tǒng)的重要組成部分。自動(dòng)駕駛汽車將配備支持車輛間通信的車載系統(tǒng)，允許它們從道路上的其他車輛中學(xué)習(xí)，以便根據(jù)天氣變化以及路況變化（諸如彎路和路上雜物等）進(jìn)行調(diào)整。先進(jìn)的算法和深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)是確保自動(dòng)駕駛汽車能夠快速且自動(dòng)適應(yīng)各種場(chǎng)景變化的關(guān)鍵。

除特定組件（例如云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的可擴(kuò)展性和智能數(shù)據(jù)管理）之外，還需要包括供電電源在內(nèi)的關(guān)鍵系統(tǒng)的冗余。已經(jīng)發(fā)布的電池冗余解決方案，如LTC3871，可工作在兩個(gè)具有不同額定電壓的電池系統(tǒng)間，例如48 V鋰離子電池和12 V鉛酸電池。但是大多數(shù)現(xiàn)有的解決方案都沒能為相同電壓的電池提供冗余，例如兩個(gè)12 V、24 V或48 V電池，至少到目前為止是這樣。

顯然，一個(gè)可以在兩個(gè)12 V電池之間工作的雙向降壓-升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器是需要的。這種DC/DC轉(zhuǎn)換器可用于為其中任何一個(gè)電池充電，也可以讓兩個(gè)電池同時(shí)為同一個(gè)負(fù)載供電。此外，如果兩個(gè)電池中的任何一個(gè)發(fā)生故障，則需要能夠檢測(cè)到該故障并將其與另一個(gè)電池隔離，以便可以繼續(xù)為負(fù)載供電而不會(huì)造成中斷。ADI公司最近發(fā)布的LT8708雙向DC/DC控制器，可以連接兩個(gè)具有相同電壓的電池，從而解決了這一關(guān)鍵問題。

單通道雙向控制IC解決方案

LT8708是一款效率高達(dá)98%的雙向降壓-升壓開關(guān)電源控制器，可在兩個(gè)電壓相同的電池之間工作，非常適合用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車的電池冗余。同時(shí)它可以在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的的情況下工作，非常適合用于電動(dòng)和混動(dòng)汽車中常見的兩個(gè)12 V、24 V或48 V電池系統(tǒng)。LT8708工作在兩個(gè)電池系統(tǒng)之間，即便其中一個(gè)電池發(fā)生故障，也可以防止系統(tǒng)關(guān)閉。LT8708還可以用于48 V/12 V和48 V/24 V雙電池系統(tǒng)。

LT8708采用單電感，當(dāng)工作的輸入電壓范圍為2.8 V至80 V，輸出電壓范圍為1.3 V至80 V時(shí)，根據(jù)所選的外圍器件和主電路相數(shù)的不同，可提供高達(dá)數(shù)千瓦的轉(zhuǎn)換功率。它簡(jiǎn)化了在對(duì)VOUT、VIN和/或I OUT、I I N進(jìn)行正向或反向調(diào)節(jié)時(shí)，電池/電容備份系統(tǒng)的雙向功率變換。LT8708具有六種獨(dú)立的調(diào)節(jié)模式，可適用于多種不同的應(yīng)用。

LT8708-1與LT8708并聯(lián)使用，可以加大轉(zhuǎn)換功率和相數(shù)。LT8708-1始終作為主機(jī)LT8708的從機(jī)工作，可以錯(cuò)相設(shè)置時(shí)鐘，并且能夠提供與主機(jī)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換功率。一個(gè)主機(jī)最多可同時(shí)連接12個(gè)從機(jī)，從而增加系統(tǒng)的功率和電流變換能力。

轉(zhuǎn)換器輸入端和輸出端的正向和反向電流可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)和限制，通過四個(gè)電阻可以獨(dú)立設(shè)置所有四個(gè)限流（正向輸入、反向輸入、正向輸出和反向輸出）。與方向設(shè)置 (DIR) 引腳相結(jié)合，LT8708可配置為處理VIN至VOUT或VOUT至VIN的功率，非常適合于汽車、太陽(yáng)能、電信和電池供電系統(tǒng)。

LT8708采用5 mm × 8 mm、40引腳QFN封裝，有三種溫度等級(jí)可供選擇，包括適用于–40°C至+125°C工作范圍的擴(kuò)展和工業(yè)等級(jí)以及–40°C至+150°C高溫工作范圍的汽車等級(jí)。圖1顯示了簡(jiǎn)化的LT8708框圖。

完整的解決方案

圖2中的框圖顯示了在汽車應(yīng)用中完成雙電池冗余電路設(shè)計(jì)所需的其他部件。如圖所示，LT8708與兩個(gè)LT8708-1一起構(gòu)成三相解決方案，可在任一方向提供高達(dá)60 A的轉(zhuǎn)換電流。通過添加額外的LT8708-1器件，可以實(shí)現(xiàn)12相及以上的大功率應(yīng)用。AD8417是一款雙向電流檢測(cè)放大器，用于檢測(cè)流入和流出電池的電流。當(dāng)檢測(cè)電流超過預(yù)設(shè)值時(shí)，LTC7001高邊NMOS靜態(tài)開關(guān)驅(qū)動(dòng)器會(huì)打開背靠背MOSFET，將電池與電路隔離。

LTC6810-2監(jiān)測(cè)并控制鋰離子電池。它可精確測(cè)量電池單元，并保證總測(cè)量誤差小于1.8 mV。將多個(gè)LTC6810-2并聯(lián)連接到主處理器可以為監(jiān)控電路中的其他電壓創(chuàng)建額外的冗余。LTC6810-2具有isoSPI?接口，可用于高速、RF抗擾、遠(yuǎn)距離通信，并支持雙向操作。

LTC6810-2還支持通過PWM占空比控制每個(gè)單元的被動(dòng)式平衡和電池的測(cè)量冗余。

控制概述

LT8708支持輸出電壓高于、低于或等于輸入電壓時(shí)的功率變換，具有在輸入和輸出端進(jìn)行雙向電流的監(jiān)控和調(diào)節(jié)功能。ADI享有專利的控制架構(gòu)允許在降壓、升壓或降壓-升壓工作區(qū)域采用電感內(nèi)阻進(jìn)行電流檢測(cè)電阻。電感電流由V C引腳上的電壓控制，該電壓是六個(gè)內(nèi)部誤差放大器E A1至EA6的組合輸出。這些放大器可用于限制或調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的電壓或電流，如表1所示。

表1. 誤差放大器（EA1至EA6）

VC電壓的最小-最大范圍典型值為1.2V。VC電壓最大值控制最大正向電感電流，從而控制從VIN流向V OUT的最大功率。V C電壓最小值控制最大反向電感電流，從而控制從VOUT流向VIN的最大功率。

簡(jiǎn)單示例V OUT的調(diào)節(jié)過程，F(xiàn)B OUT引腳接收V OUT電壓反饋信號(hào)，通過EA4與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。較低的VOUT電壓會(huì)升高VC，因此有更多電流流入VOUT。相反，較高的VOUT電壓會(huì)降低VC，從而減少流入VOUT的電流，甚至從VOUT吸收電流和功率。

圖1. LT8708簡(jiǎn)化的雙向雙12 V電池系統(tǒng)應(yīng)用原理圖。

圖2. 完整的雙電池冗余解決方案系統(tǒng)框圖。

如前所述，LT8708具有在輸入和輸出端提供雙向電流調(diào)節(jié)的功能。V OUT電流可以實(shí)現(xiàn)正向和反向（分別為EA6和EA2）調(diào)節(jié)或限制，VIN電流也可以實(shí)現(xiàn)正向和反向（分別為EA5和EA1）調(diào)節(jié)或限制。

在一些常見應(yīng)用中，VOUT可能通過EA4進(jìn)行調(diào)節(jié)，其余誤差放大器則用于監(jiān)控輸入或輸出過流或輸入欠壓的情況。在其他一些應(yīng)用中（如電池備份系統(tǒng)），連接到V OUT的電池可能會(huì)以恒定電流 (EA6) 充電到最大電壓 (EA4)，也可能反向，這時(shí)通過另一些誤差放大器向VIN回饋能量以調(diào)節(jié)VIN并限制最大電流。有關(guān)此主題的更多信息，請(qǐng)參見LT8708數(shù)據(jù)手冊(cè)。

結(jié)論

LT8708-1為相同電壓雙電池的汽車DC/DC系統(tǒng)帶來(lái)了更高級(jí)別的性能、控制和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。無(wú)論是將其用于兩個(gè)電源之間的能量轉(zhuǎn)移以實(shí)現(xiàn)冗余，還是用于關(guān)鍵場(chǎng)合的備用電源，LT8708都可以工作在兩個(gè)具有相同電壓的電池或超級(jí)電容之間。這一功能為汽車系統(tǒng)工程師在發(fā)展汽車電子技術(shù)的進(jìn)程中鋪平道路，使汽車更安全、更高效。