48V 降壓轉(zhuǎn)換器幫助 MHEV 滿足燃料排放標準

作者：Chintan Parikh、George Chen 和 Nazzareno Rossetti，Maxim Integrated

您的汽車可能已停產(chǎn)，而您正在市場上購買一輛新車。您是否正在考慮另一種汽油發(fā)動機汽車、純電動汽車 (EV) 或介于兩者之間的東西？有如此多的混合動力車型可供選擇，例如全混合動力電動汽車 (FHEV)、插電式混合動力電動汽車 (PHEV) 或輕度混合動力電動汽車 (MHEV)，因此有多種選擇可供選擇。感覺有點像點你最喜歡的拿鐵口味，不是嗎？

汽車發(fā)動機的軌跡從汽油發(fā)動機開始，到電動機結(jié)束。這種戲劇性轉(zhuǎn)變背后的力量是滿足越來越嚴格的燃料排放法規(guī)的必要性。目前，汽油發(fā)動機使用電動機來幫助啟動停止和再生制動應(yīng)用，但它的使用最終會消失。我們預(yù)計汽車將在 20 年后實現(xiàn)全電動化。 預(yù)計 2040 年左右將全面禁止使用汽油車。伴隨這一轉(zhuǎn)變的有力候選者是 48-V MHEV，它可以幫助舊汽油發(fā)動機以適中的成本滿足排放標準（圖 1）。

在此設(shè)計解決方案中，我們將審查 MHEV 的架構(gòu)并提出一種降壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可與 48V 電池一起工作，同時能夠承受高輸入電壓拋負載瞬變，并以低 EMI、低占空比和高效率運行。

48-V 輔助系統(tǒng)MHEV 皮帶起動發(fā)電機 (BSG) 通過將傳統(tǒng)汽車的交流發(fā)電機和起動電機替換為一個輔助動力總成的裝置來提供更高的效率（圖 2）。

在制動過程中，能量從內(nèi)燃機流向 48 V 電池。發(fā)動機向 BSG 施加扭矩，作為響應(yīng)，BSG 充當(dāng)發(fā)電機。BSG 產(chǎn)生的電波形由三相逆變器通過 IGBT 或 MOSFET 本征二極管進行整流，產(chǎn)生為 48V 電池充電的直流電流。

在啟停過程中，能量從 48V 電池流向充當(dāng)電機的 BSG。在此階段，BSG 通過三相逆變器功率晶體管從 48V 電池獲取電力。DC/DC 轉(zhuǎn)換器將 48 V 降壓至 16 V，為三相逆變器柵極驅(qū)動器供電，為 BSG 提供適當(dāng)?shù)倪\動序列。

BSG 在啟停期間啟動發(fā)動機，提供扭矩提升以提高加速性能，并在制動期間為電池充電。48 V 電池還可以為風(fēng)扇、泵、電動助力轉(zhuǎn)向架和壓縮機等配件供電，并有助于啟動停止系統(tǒng)。48V 電池可以提供與 12V 電池相同的功率，電流只有四分之一，從而減少了汽車電線的損耗、尺寸和重量。

圖 2：48V MHEV 系統(tǒng)

48-V 電池我們以 1-kWh、48-V、21-Ah 鋰離子 MHEV 電池為例。根據(jù)“VDA 320 - 機動車輛中的電氣和電子元件 48-V 車載電源”建議，電池具有 36 V 和 52 V 之間的無限電壓工作范圍，并允許 20 V 和 60 V 之間的有限工作模式和高達 70 V 的動態(tài)過電壓。最大工作電壓 (60 V) 是對人類操作員安全的最大允許接觸電壓，因此系統(tǒng)不被歸類為具有電擊風(fēng)險的“高壓”。

48V 降壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)健性如上所述，48V 降壓轉(zhuǎn)換器可能會受到高達 70V 的電壓尖峰和長達 40ms 的影響，這是一個很長的電應(yīng)力時間。在此限制或以上操作可能會永久損壞設(shè)備。因此，降壓轉(zhuǎn)換器輸入電壓的絕對最大額定值必須在 70 V 以上有足夠的余量才能安全運行。

低 EMIECU 的電源管理電子設(shè)備必須能夠承受惡劣的汽車環(huán)境并受到電磁干擾 (EMI) 的保護。因此，48V 降壓轉(zhuǎn)換器必須滿足 CISPR25 5 類 EMI 規(guī)范。在輻射和傳導(dǎo)發(fā)射測試期間，固定頻率轉(zhuǎn)換器有助于解決尖峰問題。固定和可調(diào)頻率允許設(shè)計工程師將濾波集中在某個頻率上，以幫助通過 EMI 測試。相比之下，恒定導(dǎo)通時間架構(gòu)通常表現(xiàn)出可變頻率，這使得獲得良好的 EMI 性能變得更加困難。

前端 48-V 降壓轉(zhuǎn)換器汽車有數(shù)十個電子控制單元 (ECU)。典型 ECU 的電源管理架構(gòu)如圖3 所示。48-V 接口是一個強大的前端降壓轉(zhuǎn)換器，可承受電池的靜態(tài)和動態(tài)電壓條件，反過來，有助于為各種柵極驅(qū)動器供電，用于具有 16-20 V輸出?的電機控制，同時還為 MCU 提供備用電源，以防萬一12V 電池斷開。

圖 3：ECU 功率分配

與 12V 輸入相比，48V 降壓轉(zhuǎn)換器往往具有更高的開關(guān)損耗

這個問題可以通過降低工作頻率 (f) 和采用具有更小最小特征和更低寄生電容 (C) 的先進工藝來緩解。此外，控制技術(shù)必須很好地適應(yīng)低占空比的操作。例如，一個 16 V 輸出和一個 48 V 輸入導(dǎo)致

這意味著降壓轉(zhuǎn)換器的高端晶體管僅在 33% 的時間內(nèi)導(dǎo)通，而低端晶體管的導(dǎo)通時間為 67%。這些考慮可以指導(dǎo)功率晶體管的尺寸以獲得最佳性能。

集成解決方案MAX20059是一款高效、高壓、同步降壓DC/DC 轉(zhuǎn)換器IC，集成MOSFET，工作在4.5-V 至72-V 輸入電壓范圍。憑借 80V 的絕對最大額定值，該 IC 具有 8V 與 72V 工作條件的裕度以及 10V 與 70V 電池動態(tài)過壓推薦值。

IC 根據(jù) VDA320 建議進行了全面測試。例如，圖 4?顯示了在超過 VDA320 建議的條件下進行的一項測試，即瞬態(tài)過電壓測試：

V IN = 14 V 至 72 V

V輸出= 12 V

0-A 負載 400 kHz，PWM

圖 4：瞬態(tài)過電壓測試

該 IC 還根據(jù) EMI CISPR25 5 類規(guī)范進行了電磁輻射測試。例如，圖 5顯示了使用 200-MHz 至 1-GHz 對數(shù)周期（水平）天線執(zhí)行的眾多 EMI 測試之一。IC 排放水平遠低于限值。

圖 5：滿足 EMI CISPR25 Class 5 規(guī)范

該轉(zhuǎn)換器可提供高達 1A 的電流。輸出電壓在 0.8 V 至 90% V IN范圍內(nèi)可編程。–40°C 至 125°C 范圍內(nèi)的反饋電壓調(diào)節(jié)精度為 ±1.5%。該 IC 采用峰值電流模式控制架構(gòu)，可在脈寬調(diào)制 (PWM) 或脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 控制方案中運行。該 IC 采用 12 引腳 (3 × 3 mm) 側(cè)面可濕性 TDFN 封裝，帶有用于散熱的裸露焊盤。圖 6?顯示了 48V 至 16V 的典型應(yīng)用電路。

圖 6：具有 400kHz 開關(guān)頻率的 48V IN至 16V OUT降壓轉(zhuǎn)換器

高效率為了獲得最大的靈活性，IC 有兩種操作模式。PFM 在整個工作范圍內(nèi)提供高效率，但與 PWM 相比，輸出電壓紋波更高。PWM 操作（圖 7）在所有負載下提供恒定頻率操作，適用于對開關(guān)頻率敏感的應(yīng)用。因此，輕負載時開關(guān)損耗較高，MAX20059 在 48 V IN至 16 V OUT范圍內(nèi)可實現(xiàn) >90% 的峰值效率。

圖 7：400 kHz 時的 48V IN至 16V OUT降壓轉(zhuǎn)換器效率

結(jié)論汽車環(huán)境正在經(jīng)歷一場史詩般的轉(zhuǎn)變。由于燃料排放標準的日益嚴格，汽油發(fā)動機處于下降的拋物線，最終將以全電動汽車告終。同時，48V MHEV 等混合應(yīng)用正在激增。我們強調(diào)了設(shè)計在惡劣的 48V 汽車環(huán)境中運行的穩(wěn)壓器所面臨的挑戰(zhàn)，并展示了一種高壓前端降壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器對輸入電壓靜態(tài)和動態(tài)變化具有高容限、低 EMI 和高效率。

詞匯表

FHEV：全混合動力電動汽車具有容量有限的輔助 200-V 或 400-V 電池。

PHEV：插電式混合動力電動汽車具有更高容量的輔助 200-V 或 400-V 電池，可通過電網(wǎng)充電。

MHEV：輕度混合動力電動汽車具有輔助 48V 電池。

作者簡介Chintan Parikh 是 Maxim Integrated 的業(yè)務(wù)管理總監(jiān)，專注于汽車電源管理解決方案。Chintan 擁有圣克拉拉大學(xué)工程管理碩士學(xué)位。

George Chen 是 Maxim Integrated 的業(yè)務(wù)經(jīng)理，專注于汽車電源管理解決方案。George 擁有亞利桑那州立大學(xué)的電氣工程碩士學(xué)位。

Nazzareno (Reno) Rossetti 是 Maxim Integrated 的模擬和電源管理專家。他是一位出版作家，并擁有該領(lǐng)域的多項專利。Reno 擁有意大利都靈理工大學(xué)的電氣工程博士學(xué)位。

審核編輯 黃昊宇