發布日期：2022-04-17 點擊率：81
隨著越來越多的電子器件、電機和執行器添加到內燃機 (ICE) 車輛中，傳統的基于鉛酸蓄電池（由交流發電機充電）的閉路 12 V 汽車電氣系統漸漸顯現出其局限性。例如，當使用 12 V 系統時，電動轉向等大功率應用會消耗很大的電流，因此需要更笨重的線束。在新款的汽車中，這種額外的重量影響很大，因為這些汽車的布線可能長達幾千米。
一種替代方法是對高耗電應用使用更高電壓的系統，以降低電流消耗并減輕線束重量。商業實現采用傳統 12 V 網絡，并輔以基于鋰離子 (Li-ion) 電池的 48 V 系統。12 V 系統用于發動機管理、照明、座椅和車門調節等應用，而 48 V 系統則可滿足電動轉向、起動和 HVAC 等功能的重負載需求。
這些混合動力汽車電氣系統帶來了更高的復雜性，同時也帶來了新的設計挑戰。在這些挑戰中，關鍵是對兩個電池電路同時充放電的管理，包括電池之間的雙向降壓和升壓。
本文介紹了 12/48 V 雙電壓汽車電氣系統的發展，并說明了新系統的優點。然后，本文探討了如何使用 Linear Technology 和 Texas Instruments 的 12/48 V 雙向穩壓器來降低雙電壓系統的設計復雜性。此外，本文還分析了未來單 48 V 去中心化汽車拓撲的優勢，并介紹了 Vicor 推出的適用于此類系統的總線轉換器。
很大程度上，向 12/48 V 系統的過渡受到推崇是由于需要驅動高功耗設備，同時確保車輛仍然符合嚴格的經濟和排放規定。例如，像轉向或增壓器之類的功能由機械驅動轉為電驅動，可大幅降低摩擦損失，提升燃油經濟性。根據一些汽車制造商的說法，48 V 電氣系統可使燃油經濟性提高 10% 至 15%，同時相應減少有害氣體的排放。由于未來幾年仍將有大量的傳統 12 V 設備安裝在汽車中，因此仍然需要保留系統的 12 V 供電側。
12/48 V 配置包含兩個獨立的分支：傳統 12 V 總線使用傳統的鉛酸電池，支持傳統負載，而 48 V 系統則由鋰離子電池供電，支持較重的負載。雖然需要兩個獨立的充電電路以適應兩種電池的電化學性質，但必須有一種機制可以讓電荷在它們之間移動，而不會損壞任一電池或它們所供電的任何系統。此外，還需要一種機制為過載條件下的負電源軌提供額外的動力。
新提出的汽車標準 LV 148 中，描述了 48 V 總線與現有 12 V 汽車系統的組合方式。48 V 系統包含一臺集成式起動發電機 (ISG) 或皮帶式起動發電機以及鋰離子電池。該系統能夠輸出數十千瓦 (kW)，目標針對傳統汽車以及混合動力和輕混汽車。
設計 12/48 V 系統具有挑戰性，因為它需要謹慎管理車輛 48 V 電源軌與 12 V 電源軌之間的電力傳輸。一種方案是使用降壓轉換器進行降壓，而相反方向的電力傳輸則可以使用升壓轉換器。但設計采用獨立的 DC-DC 轉換器會占用寶貴的電路板空間，并增加系統成本和復雜性。
另一種方案是在 12 V 和 48 V 電池之間使用單個雙向降壓/升壓 DC-DC 轉換器。這種轉換器可用于為電池充電，也允許電池為汽車的各種電氣負載提供電流（圖 1）。
圖 1：雙向電源可用于管理汽車電氣系統的 12 V 和 48 V 電路之間的電力傳輸。（圖片來源：Texas Instruments）
用于 12/48 V 系統的電源管理組件設計需滿足 LV 148 標準。尤其，這對芯片的過壓提出了較高要求。該標準允許 48 V 電源軌的最大電壓最高可升至 70 V 并至少持續 40 ms，并允許系統在此類過電壓事件期間保持正常工作而不會造成任何性能損失。對于半導體供應商來說，這意味著連接到汽車 48 V 電源軌的所有設備都必須能夠承受 70 V 的輸入電壓（加上安全裕量，使總體要求達到 100 V）。
Linear Technology 的 LT8228 是設計符合 LV 148 規格要求的雙向電源示例，它是一款帶有獨立補償網絡的 100 V 雙向恒流或恒壓同步降壓或升壓控制器（請參閱 Digi-Key 技術文章《DC-DC 開關穩壓器中用于 PWM 信號發生的電壓和電流模式控制》）。
該控制器接受兩個輸入：V1，由鋰離子電池提供的 24 至 54 V 電源；以及 V2，由鉛酸電池提供的 14 V 輸入（圖 2）。在升壓模式下，輸出為 10 A、48 V，降壓模式下為 40 A、14 V。該芯片的輸入和輸出端均可承受 100 V 的電壓。操作模式可由微控制器通過 DRXN 引腳從外部控制，也可自動選擇。
圖 2：Linear Technology 的 LT8228 雙向電源可提供升壓或降壓，最大承受 100 V 電壓，符合 LV 148 規格要求。（圖片來源：Linear Technology）
輸入和輸出 MOSFET 可以防止負電壓，控制浪涌電流并在故障條件下（例如開關 MOSFET 短路）在端子之間提供隔離。在降壓模式下，V1（24 V 至 54 V 輸入）端子上的保護 MOSFET 可防止反向電流。在升壓模式下，這些 MOSFET 可調節輸出浪涌電流，并通過可調定時斷路器來保護自身。內部和外部故障診斷和報告可通過專用的引腳獲得。
Texas Instruments (TI) 也提供了一款符合 LV 148 的高性能、雙通道雙向電流控制器 LM5170。該器件可管理高壓端口（HV 端口）（連接到 48 V 鋰離子電池）與低壓端口（LV 端口）（連接到 12 V 鉛酸電池）之間的電流傳輸。使用獨立使能信號可激活雙向控制器的各個通道。
雙通道差分電流感測傳感器和專用通道電流監測儀實現了 1% 的典型精度?？煽康?5 A 半橋柵極驅動器能夠控制每通道功率不低于 500 W 的并聯 MOSFET 開關。該控制器可以工作在斷續模式下，以在輕負載條件下實現更高的能效（請參閱 Digi-Key 技術文章《portant">開關穩壓器連續模式和斷續模式之差異及其重要性》），并防止負電流。保護功能包括逐周期峰值限流、48 V 和 12 V 電池電源軌的過壓保護、MOSFET 開關故障檢測和保護，以及過熱保護。
LM5170 采用平均電流模式控制，消除了升壓工作模式中的右半平面零點，并在任意工作電壓和負載水平下保持恒定的回路增益，從而簡化了補償。
Linear Technology 和 TI 雙向電流控制器包含的功能使得雙 12/48 V 汽車電子器件的電源管理電路設計更為簡單。例如，無論是從一個電池升壓，還是從另一個電池降壓，都可以使用相同的外部電源組件，因此節省了空間和成本，降低了電路復雜性。但是，選擇這些外部元器件時必須小心謹慎。
應用電路設計
在使用 LT8228（以及 TI 器件）時，外部元器件的選擇通常以能夠實現良好的開關穩壓器設計為準。例如，從優化能效、物理尺寸和成本角度，可按照開關頻率 (fSW) 和電感值 (L) 選擇。同樣，從電感器峰值限流、能效和電流檢測精度角度，可按照電感電流檢測電阻 RSNS2 及其輸入增益電阻 RIN2 來選擇（圖 3）。
圖 3：Linear Technology LT8228 的框圖展示了典型應用所需的外部元器件。（圖片來源：Linear Technology）
選擇電容器 CDM2 來限制降壓輸入和升壓輸出的紋波電壓；同樣，選擇電容器 CDM4 來限制升壓輸入和降壓輸出的紋波電壓。V1D 引腳處的電容器 CDM1 用于通過旁路濾除噪聲。按照設計等效串聯電阻 (ESR) 值來選擇阻尼電容器 CV1 和 CV2，可減少由于分別連接到 V1 和 V2 的串聯導線電感而引起的諧振。
選擇降壓和升壓調節回路補償來優化帶寬和穩定性。有關使用開關穩壓器和控制器進行設計的更多信息，請參閱 Digi-Key 技術文章：《選擇高頻開關穩壓器時的設計取舍》、《了解開關穩壓器控制回路響應》和《使用低 EMI 開關穩壓器優化高效率電源設計》。
按照良好設計原則為開關穩壓器設計選擇好元器件之后，還需要選擇一些元器件以滿足雙向 12/48 V 汽車應用的特殊要求。
例如，LT8228 的降壓輸出限流、升壓輸入限流和 V2 電流監測器分別通過電阻器 RSET2P、RSET2N 和 RMON2 來設置。接下來，選擇 V1 電流檢測電阻器 RSNS1（圖中左上角）及其輸入增益電阻器 RIN1，以優化能效和電流檢測精度。
在降壓和升壓工作模式下，LT8228 可使用相同的電感器。在降壓模式下，電感器電流為 V2 輸出電流；在升壓模式下，電感器電流為 V2 輸入電流。兩種模式下的電感器最大電流可以通過公式 1 和 2 來計算：
公式 1 和 2
其中：
? = 開關頻率
L = 所選電感值
IV2P(LIM) = 降壓模式 V2 輸出限流
IV2N(LIM) = 升壓模式 V2 輸入限流
電感器峰值電流應比降壓和升壓模式下電感器最大電流中的較大值大至少 20% 到 30%。這樣可確保在任何一種工作模式下，最大平均電流調節均不受電感器峰值限流的影響。電感器電流使用 RSNS2 來檢測，該電阻器與電感器串聯。通常，當 ICSA2 達到 72.5 μA 時，將檢測到電感器峰值電流 IL(PEAK)。
高 RSNS2（右上角）值可提高電流檢測精度，而低 RSNS2 值則可提高能效。因此，設計人員選擇 RSNS2 值時應采用的原則是，CSA2 的輸入型補償電壓不會影響電流檢測精度，同時能夠最大限度地減小電感器上的功率損耗。建議電感器峰值電流下 RSNS2 的電壓為 50 至 200 mV。
然后，設計人員應根據以下公式選擇 RIN2 來設置電感器峰值限流：
公式 3
設置了電感器峰值限流后，再分別通過電阻器 RSET1N、RSET1P 和 RMON1 設置升壓輸出限流、降壓輸入限流和 V1 電流監測器。選擇與 RSET 電阻器并聯的電容器，以將限流設置為電流檢測電阻器的平均電流。
通過選擇連接到 FB1 和 FB2 引腳的電阻分壓器，設置 V1D（升壓模式下的穩壓輸出）和 V2D（降壓模式下的穩壓輸出）的穩壓和過壓閾值。通過選擇連接到 UV1 和 UV2 引腳的電阻分壓器，設置 V1 和 V2 的欠壓閾值。
另外，LT8228 的外部電路還需要六個功率 MOSFET（圖 4）。這些器件應根據能效和擊穿電壓考量因素來進行選擇。配套的肖特基二極管（D2 和 D3）是可選的，應根據能效考量因素進行選擇。
圖 4：LT8228 需要六個外部 N 溝道 MOSFET：V1 保護 MOSFET M1A 和 M1B、V2 保護 MOSFET M4A 和 M4B、上開關 MOSFET M2 和下開關 MOSFET M3。（圖片來源：Linear Technology）
當 LT8228 以降壓模式工作時，MOSFET M2 是主開關，MOSFET M3 是同步開關；V1D（由升壓穩壓器調節的節點，位于圖 3 中 DG1 控制器的左上方）是輸入電壓，V2D（由降壓轉換器調節的節點，位于圖 3 的右上方，緊靠降壓 MOSFET 的左側）是降壓調節的輸出電壓。在升壓模式下，情況相反，M3 充當主開關，M2 充當同步開關，V2D 作為輸入電壓，V1D 作為輸出電壓。
在開關關斷期間，兩個 MOSFET 開關 M2 和 M3 的漏極和源極之間都將承受最大輸入電壓（加上開關節點上的任何額外瞬時振蕩）。因此，在高壓應用中選擇開關 MOSFET 時，最重要的參數就是擊穿電壓 (BVDSS)。
此外，設計人員還必須考慮 MOSFET 的功率耗散。功耗過大會影響系統能效，并可能導致 MOSFET 過熱和損壞。確定功率耗散的關鍵參數是導通電阻 (RDS(ON))、輸入電壓、輸出電壓、最大輸出電流和米勒電容 (CMILLER)。
鑒于 12 V 鉛酸電池系統的成熟性和可靠性，意味著它不會很快消失。但汽車制造商已經在為新款汽車研發使用 48 V 為所有設備供電的系統（采用電池提供從 48 V 到 800 V 之間的任意電壓）。這種系統采用非隔離式雙向轉換器，能夠處理幾千瓦的功率，并為傳統 12 V 電氣設備和更高電壓的裝置供電。
此類轉換器的一個示例是 Vicor 的 NBM2317S60E1560T0R，這是一款高效的非隔離式轉換器，工作于 38 V 至 60 V 的高壓側總線，可提供 9.5 V 至 15 V 的低壓側電壓。該器件提供的最大連續輸出功率為 800 W，峰值功率高達 1 kW。在降壓工作模式下，連續輸出電流為 60 A，瞬態電流為 100 A；在升壓工作模式下，連續輸出電流為 15 A，瞬態電流為 25 A。該器件的功率密度為 274 W/cm3。峰值能效為 97.9%。
該器件的尺寸為 23 x 17 x 7.5 mm，與開關速度較慢的（低于 1 MHz）解決方案相比，占用的空間更小。由于該轉換器不需要外部濾波器或大容量電容器，因此所需的外部元器件數量更少。此外，該器件也不需要熱插拔或浪涌限流。
一種實現單 48 V 電池供電型 12/48 V 架構的方法是采用集中式拓撲。此拓撲依賴于單個大容量雙向轉換器。這類系統有幾個缺點，包括熱管理挑戰、缺乏內置冗余，以及低電壓 (12 V)/大電流應用所需較長線束的成本和重量。
Vicor 的這款器件旨在通過推行 12/48 V 電氣系統的去中心化電氣架構來解決這些問題。通過使用多個轉換器來建立內部冗余，縮短 12 V 線束長度，從而減輕重量。此外，熱管理方面的挑戰也會大幅緩解。例如，在集中式系統中，提供 3 kW 功率并以 95% 能效運行的單個轉換器將需要耗散 150 W，主要是散熱。相比之下，去中心化系統中的每個轉換器（包括四個以 95% 能效產生 750 W 功率的器件）將耗散 37.5 W。雖然總損耗保持不變，但每個轉換器的溫度卻會大幅降低（圖 5）。
圖 5：像 Vicor 的 NBM2317S60E1560T0R 這樣的高效 DC-DC 轉換器可通過單個 48 V 電池為 12/48 V 汽車電氣系統供電。如圖所示的去中心化拓撲中，熱管理挑戰得到緩解，12 V 線束長度較短，從而減輕了重量。（圖片來源：Vicor）
Vicor 為其 NBM2317 系列 IC 推出了 NBM2317D60E1560T0R 評估板，讓希望嘗試設計 12/48 V 系統的設計人員操作更加便利。該評估板預配置為降壓拓撲結構，具有 38 V 至 60 V 的輸入和單個 13.5 V 的非隔離輸出。
隨著現代車輛中電氣系統的激增，傳統 12 V 電氣系統逐漸不堪重負。引入 48 V 系統替代方案可為電動轉向和增壓等系統運行提供更大的功率，同時減輕線束重量，降低成本。
但是，由于汽車中使用的傳統 12 V 產品數量眾多，短期內切換到單 48 V 系統不切實際。因此，解決方案是同時運行 12 V 和 48 V 系統，每個系統使用獨立的電池。
不過，如果每個系統使用單獨的 DC-DC 轉換器，那么管理這些不同電壓系統的功率和充電就會很復雜。雙向 DC-DC 轉換器（可作為 12 V 和 48 V 系統之間的橋梁）的推出簡化了設計、降低了成本，并促進了該方案在低價汽車上的采用。
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