通過12 V至12 V雙向DC/DC控制器 實現(xiàn)汽車雙電池冗余

作者：Bruce Haug

背景知識

種種跡象表明，自動駕駛汽車的革命性發(fā)展即將全面來臨。汽車公司正在與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，為未來的智慧城市奠定基礎(chǔ)。他們將利用機器學習、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和云技術(shù)等加速這一發(fā)展。

更重要的是，自動駕駛汽車將繼續(xù)推動已經(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)造一個由智能無人駕駛車輛組成未來交通的世界。

最終，所有自動駕駛汽車都將通過集成傳感器、攝像頭、雷達、高性能GPS、光探測和測距（激光雷達）、人工智能(AI)和機器學習，以實現(xiàn)一定程度的自治。而其與安全和可擴展的物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)管理和云解決方案的連接也很重要，因為它們?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)的興起都具有深遠的社會影響。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。

對于自動駕駛汽車和智能道路系統(tǒng)而言，端點遙測、智能軟件和云技術(shù)都是不可或缺的。自動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)，同時這些數(shù)據(jù)必須得到實時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習，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）進行調(diào)整。先進的算法和深度學習系統(tǒng)是確保自動駕駛汽車能夠快速且自動適應(yīng)各種場景變化的關(guān)鍵。

除特定組件（例如云計算基礎(chǔ)架構(gòu)的可擴展性和智能數(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12 V、24 V或48 V電池，至少到目前為止是這樣。

顯然，一個可以在兩個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電池充電，也可以讓兩個電池同時為同一個負載供電。此外，如果兩個電池中的任何一個發(fā)生故障，則需要能夠檢測到該故障并將其與另一個電池隔離，以便可以繼續(xù)為負載供電而不會造成中斷。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98%的雙向降壓-升壓開關(guān)電源控制器，可在兩個電壓相同的電池之間工作，非常適合用于實現(xiàn)自動駕駛汽車的電池冗余。同時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，非常適合用于電動和混動汽車中常見的兩個12 V、24 V或48 V電池系統(tǒng)。LT8708工作在兩個電池系統(tǒng)之間，即便其中一個電池發(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，根據(jù)所選的外圍器件和主電路相數(shù)的不同，可提供高達數(shù)千瓦的轉(zhuǎn)換功率。它簡化了在對VOUT、VIN和/或I OUT、I I N進行正向或反向調(diào)節(jié)時，電池/電容備份系統(tǒng)的雙向功率變換。LT8708具有六種獨立的調(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LT8708的從機工作，可以錯相設(shè)置時鐘，并且能夠提供與主機相當?shù)霓D(zhuǎn)換功率。一個主機最多可同時連接12個從機，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行監(jiān)測和限制，通過四個電阻可以獨立設(shè)置所有四個限流（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，有三種溫度等級可供選擇，包括適用于–40°C至+125°C工作范圍的擴展和工業(yè)等級以及–40°C至+150°C高溫工作范圍的汽車等級。圖1顯示了簡化的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)計所需的其他部件。如圖所示，LT8708與兩個LT8708-1一起構(gòu)成三相解決方案，可在任一方向提供高達60 A的轉(zhuǎn)換電流。通過添加額外的LT8708-1器件，可以實現(xiàn)12相及以上的大功率應(yīng)用。AD8417是一款雙向電流檢測放大器，用于檢測流入和流出電池的電流。當檢測電流超過預(yù)設(shè)值時，LTC7001高邊NMOS靜態(tài)開關(guān)驅(qū)動器會打開背靠背MOSFET，將電池與電路隔離。

LTC6810-2監(jiān)測并控制鋰離子電池。它可精確測量電池單元，并保證總測量誤差小于1.8 mV。將多個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占空比控制每個單元的被動式平衡和電池的測量冗余。

控制概述

LT8708支持輸出電壓高于、低于或等于輸入電壓時的功率變換，具有在輸入和輸出端進行雙向電流的監(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)阻進行電流檢測電阻。電感電流由V C引腳上的電壓控制，該電壓是六個內(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，通過EA4與內(nèi)部基準電壓進行比較。較低的VOUT電壓會升高VC，因此有更多電流流入VOUT。相反，較高的VOUT電壓會降低VC，從而減少流入VOUT的電流，甚至從VOUT吸收電流和功率。

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的電池可能會以恒定電流 (EA6) 充電到最大電壓 (EA4)，也可能反向，這時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，請參見LT8708數(shù)據(jù)手冊。

結(jié)論

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