Bruce Haug

凌力爾特公司   高級產(chǎn)品市場(chǎng)工程師

背景

隨著(zhù)油耗法規的日趨收緊以及具連通性之自主駕駛能力的迅速普及，老式 12V 汽車(chē)電氣系統已經(jīng)達到了其可用功率極限。而且，汽車(chē)電子系統的大量增加、再加上相關(guān)的功率需求，催生了一系列新的工程設計機遇和挑戰。因此，具有其 3kW 功率限值的 12V 鉛酸電池汽車(chē)系統得到了補充。

新近提出的一項汽車(chē)標準 LV148 把一根輔助的 48V 總線(xiàn)與現有的 12V 系統組合起來(lái)。48V 電源軌包括一個(gè)集成式起動(dòng)發(fā)電機 (ISG) 或一個(gè)帶式起動(dòng)發(fā)電機、一個(gè) 48V 鋰離子電池和一個(gè)用于從 48V 和 12V 組合式電池提供高達 10kW 可用電能的雙向 DC/DC 轉換器。此項技術(shù)面向傳統的內燃機汽車(chē)、以及混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)和輕度混合動(dòng)力車(chē)，因為汽車(chē)制造商竭力地滿(mǎn)足要求日益嚴苛的 CO₂ 排放目標。

通常，12V 總線(xiàn)將繼續為點(diǎn)火、照明、信息娛樂(lè )和音頻系統供電。48V 總線(xiàn)將向主動(dòng)底盤(pán)系統、空調壓縮機、可調懸掛、電子超級電容器 / 渦輪增壓機供電并支持再生制動(dòng)。另外，使用一根附加 48V 總線(xiàn) (預計很快就將在量產(chǎn)車(chē)型上提供) 的決定還能支持引擎起動(dòng)，這將使軟起動(dòng)操作更加平穩。再者，較高的電壓意味著(zhù)所需的電纜截面積較小，這將減小電纜尺寸和重量。當今的高端汽車(chē)可能具有超過(guò) 4km 的配線(xiàn)。汽車(chē)將變得更像 PC，從而為許多即插即用式裝置創(chuàng )造了可能性。平均來(lái)說(shuō)，通勤者每天有 9% 的時(shí)間是花費在汽車(chē)里的。于是，把多媒體和遠程信息處理引入汽車(chē)可以潛在地提高工作效率和提供額外的娛樂(lè )。

用于自主駕駛的主要組件包括計算機、攝像機、雷達和激光雷達 (LiDAR) 傳感器，所有這些都需要額外的能量。該附加能量是改善汽車(chē)的連通性所必需的，這種連通性并不僅僅是至互聯(lián)網(wǎng)，還包括其他車(chē)輛和建筑物、交通信號燈及所處環(huán)境中的其他構造物。此外，動(dòng)力傳動(dòng)系統組件、動(dòng)力轉向、油泵和水泵將從機械式轉換為電動(dòng)式。

48V 電池系統的未來(lái)距離我們要比全自主駕駛型汽車(chē)近得多，盡管很多汽車(chē)供應商看到了在未來(lái)短短幾年里市場(chǎng)對于自動(dòng)駕駛汽車(chē)最終所需之技術(shù)構件的強勁需求。根據有些汽車(chē)制造商提供的信息，對于內燃機引擎汽車(chē)而言，基于 48V 的電氣系統可使燃油經(jīng)濟性提升 10% 至 15%，從而減少 CO₂ 排放量。

而且，采用 48V / 12V 雙系統的未來(lái)汽車(chē)將允許工程師整合獨立于引擎負載而工作的電力升壓器技術(shù)，由此幫助改善汽車(chē)的加速性能。已經(jīng)處在其高級開(kāi)發(fā)階段的壓縮機被置于進(jìn)氣系統和中間冷卻器之間，并采用 48V 以啟動(dòng)渦輪增壓機。

然而，對于整條產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈上的供應商來(lái)說(shuō)，在汽車(chē)中實(shí)現一個(gè)額外的 48V 電源網(wǎng)絡(luò )則轉化為了重大的設計挑戰。特別地，半導體和電子控制單元 (ECU) 的供應商將受到影響，他們將需要把產(chǎn)品的工作范圍調節至較高的電壓，而且部分地重新設計自己的產(chǎn)品。相應地，DC/DC 轉換器的制造商將需要開(kāi)發(fā)和推出專(zhuān)用的 IC 以實(shí)現這種高功率傳輸。凌力爾特設計和開(kāi)發(fā)了一些能夠簡(jiǎn)化此類(lèi)能量傳輸并具有非常高效率的 DC/DC 轉換器，以達到節能的目的，同時(shí)因其低得多的功率損耗而最大限度地減少了所需的熱設計。

很明顯，對于在 12V 和 48V 電池之間來(lái)回切換的雙向降壓和升壓型 DC/DC 轉換器存在著(zhù)需求。該 DC/DC 轉換器可用于給任一電池充電，并允許兩個(gè)電池在需要的時(shí)候向同一個(gè)負載供應電流。早期的大多數 48V / 12V 雙電池 DC/DC 轉換器設計采用不同的功率組件來(lái)實(shí)現升壓和降壓。然而，凌力爾特近期推出的 LTC3871 雙向 DC/DC 控制器采用與實(shí)現降壓相同的外部功率組件來(lái)執行升壓轉換。

單個(gè)雙向 IC 解決方案

LTC3871 是一款 100V / 30V 雙向兩相同步降壓或升壓型控制器，其在 12V 和 48V 電路板網(wǎng)絡(luò )之間提供了雙向 DC/DC 控制和電池充電。它可工作在降壓模式 (從 48V 總線(xiàn)至 12V 總線(xiàn)) 或升壓模式 (從 12V 至 48V)。任一模式可利用一個(gè)施加的控制信號按需配置�？梢詫Χ噙_ 12 相位實(shí)施并聯(lián)和異相定時(shí)，以最大限度地減少針對高電流應用 (高達 250A) 的輸入和輸出濾波要求。當并聯(lián)時(shí)，該器件的高級電流模式控制架構在相位之間提供了極佳的電流匹配。對于 12 相設計，可在降壓模式或升壓模式中提供高達 5kW 的功率。

當起動(dòng)汽車(chē)或需要額外的功率時(shí)，LTC3871 通過(guò)把能量從一個(gè)電路板網(wǎng)絡(luò )轉換至另一個(gè)電路板網(wǎng)絡(luò )而允許兩個(gè)電池同時(shí)提供電能�？蓪�(shí)現高達 97% 的效率，而且片內電流設置環(huán)路負責調節可在任一方向上輸送至負載的最大電流。4 個(gè)控制環(huán)路 (2 個(gè)用于電流，2 個(gè)用于電壓) 可在 48V 或 12V 電路板網(wǎng)絡(luò )上實(shí)現電壓和電流控制。

LTC3871 工作在一個(gè)介于 60kHz 和 475kHz 之間的可選固定頻率，并能同步至一個(gè)頻率位于相同范圍內的外部時(shí)鐘。在輕負載時(shí)，用戶(hù)可以選擇執行連續操作或脈沖跳躍操作。該器件的其他特點(diǎn)包括過(guò)載和短路保護、針對降壓和升壓的獨立環(huán)路補償、用于提高效率的 EXTV_CC、整個(gè)溫度范圍內的 ±1% 輸出電壓調節準確度、以及欠壓和過(guò)壓閉鎖功能。LTC3871 已被驗證符合 AEC-Q100 規范，并且專(zhuān)為 ISO 26262 系統中的診斷覆蓋而設計。

LTC3871 采用耐熱性能增強型 48 引腳 LQFP 封裝。有三種溫度級版本，擴展和工業(yè)溫度級版本在 –40°C 至 125°C 溫度范圍內運行，高溫汽車(chē)級版本則工作在 –40°C 至 150°C 溫度范圍。下面的圖 1 示出了其典型應用電路原理圖。示于原理圖頂部的 P 溝道 MOSFET 用于過(guò)流和短路保護。

圖 1：LTC3871 雙向原理圖 (從一個(gè) 26V 至 58V 輸入產(chǎn)生 12V 輸入，可提供 30A 電流)

集成式起動(dòng)發(fā)電機 (ISG)

電子控制式 ISG 用單個(gè)電氣裝置取代了傳統的起動(dòng)機和交流發(fā)電機，原因如下：

1. 為了免除起動(dòng)機，在引擎操作期間它是僅有的無(wú)源部件
2. 取代目前在交流發(fā)電機和曲軸之間的皮帶及皮帶盤(pán)耦合
3. 在拋載期間提供發(fā)電機電壓的快速控制
4. 為了免除某些現用繞線(xiàn)轉子交流發(fā)電機中的滑環(huán)和電刷

ISG 具有三個(gè)重要的特點(diǎn)，它們是啟-停功能、發(fā)電和動(dòng)力輔助。ISG 使得內燃發(fā)動(dòng)機能夠關(guān)斷其電機以在汽車(chē)停駛時(shí)節省燃油，并在踩壓油門(mén)踏板時(shí)立即重新起動(dòng)汽車(chē)。ISG 通常被稱(chēng)作啟-停系統，其有助于在起動(dòng)引擎時(shí)實(shí)現較為平穩的轉換。與傳統的交流發(fā)電機相似，ISG 在汽車(chē)運行時(shí)產(chǎn)生電能。此外，ISG 還能通過(guò)產(chǎn)生電能為汽車(chē)減速提供幫助 (再生制動(dòng))。在再生制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電能給 48V 電池充電，這反過(guò)來(lái)減少了燃油消耗及其最終產(chǎn)生的 CO₂ 排放量。

圖 2 給出了一幅方框圖，該圖顯示了 ISG、LTC3871 以及 12V 和 48V 電池是怎樣整合到一輛內燃機汽車(chē)中的。

圖 2：LTC3871 典型應用方框圖

降壓和升壓模式

利用一個(gè)簡(jiǎn)單的控制信號可使 LTC3871 動(dòng)態(tài)和無(wú)縫地從降壓模式切換至升壓模式，反之亦然。有兩個(gè)用于 V_HIGH 或 V_LOW 調節的單獨誤差放大器。擁有兩個(gè)誤差放大器可獨立地針對降壓和升壓模式進(jìn)行環(huán)路補償的微調，以?xún)?yōu)化瞬態(tài)響應。當選擇降壓模式時(shí)，對應的誤差放大器被使能，而且 I_THLOW 電壓負責控制峰值電感器電流。另一個(gè)誤差放大器被停用。在升壓模式中，I_THHIGH 被使能而 I_THLOW 被停用。在降壓至升壓轉換或升壓至降壓轉換期間，內部軟起動(dòng)功能電路復位。使軟起動(dòng)復位并把 I_TH 引腳置于零電流水平可確保實(shí)現至新選擇模式的平滑轉換。

多相操作

可對多個(gè) LTC3871 進(jìn)行菊鏈式連接以實(shí)現異相運行，從而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。SYNC 引腳使得 LTC3871 能夠同步至另一個(gè) LTC3871 的 CLKOUT 信號�？砂� CLKOUT 信號連接至后一個(gè) LTC3871 級的 SYNC 引腳，以與整個(gè)系統的頻率和相位保持一致�？刹捎镁真湹姆绞竭B接總共 12 相，相互之間以異相同時(shí)運行。

圖 3 所示的 LTC3871 演示電路 DC2348A 可利用一個(gè)或兩個(gè) LTC3871 器件配置為 2 相或 4 相。下面的照片示出了 4 相版本，當工作在降壓模式時(shí)，該演示電路具有一個(gè) 30V 至 75V 的輸入電壓范圍，并在高達 60A 的電流下產(chǎn)生一個(gè) 12V 輸出。當工作于升壓模式時(shí)，輸入電壓范圍為 10V 至 13V，并在高達 10A 的電流條件下產(chǎn)生一個(gè) 48V 輸出。

圖 3：LTC3871 四相演示電路板照片

圖 4 中的 LTC3871 效率曲線(xiàn)表示的是采用兩個(gè) LTC3871 器件的四相演示電路板設計。降壓模式曲線(xiàn)是從 48V 降壓至 12V (在高達 60A)，而升壓曲線(xiàn)則是從 12V 升壓至 48V (在高達 10A)。兩者均具有 97% 的峰值效率。

         降壓模式效率                          升壓模式效率

圖 4：LTC3871 降壓和升壓效率曲線(xiàn) (對于四相設計)

過(guò)流保護

在降壓模式中，LTC3871 包括電流折返保護功能，以限制過(guò)流情況下或 V_LOW 短路至地時(shí)的功率耗散。如果 V_LOW 降至低于其標稱(chēng)輸出電平的 85%，則最大檢測電壓從其最大編程值逐步地降低至最大值的 1/3。折返電流限制在軟起動(dòng)期間被使能。在具有非常低占空比的短路情況下，LTC3871 將開(kāi)始執行周期跳躍，旨在限制短路電流。

在典型的升壓型控制器中，同步二極管或同步 MOSFET 的體二極管傳導電流 (從輸入至輸出)。因此，如果未采用一個(gè)隔離二極管或 MOSFET 來(lái)阻隔電流，那么一個(gè)輸出 (V_HIGH) 短路將下拉輸入 (V_LOW)。當 V_HIGH 短路至地時(shí)，LTC3871 采用一個(gè)外部低 R_DS(ON) P 溝道 MOSFET 來(lái)提供輸入短路保護。在正常操作中，P 溝道 MOSFET 始終保持接通，其柵極-源極電壓被箝位至 15V (最大值)。當 UV_HIGH 引腳電壓變至低于其 1.2V 門(mén)限時(shí)，FAULT 引腳在 125μs 之后走低。在該點(diǎn)上，PGATE 引腳關(guān)斷外部 P 溝道 MOSFET。

結論

LTC3871 通過(guò)允許把相同的外部功率組件用于降壓和升壓目的，將新的性能水平、控制和簡(jiǎn)化帶給了 48V / 12V 雙電池 DC/DC 汽車(chē)系統。該器件可按需工作在降壓模式 (從 48V 總線(xiàn)至 12V 總線(xiàn)) 或升壓模式 (從 12V 至 48V)�？梢詫Χ噙_ 12 相實(shí)施并聯(lián)以滿(mǎn)足高電流應用的需要。當起動(dòng)汽車(chē)或需要額外的功率時(shí)，LTC3871 允許兩個(gè)電池同時(shí)為同一個(gè)負載提供電能。運行車(chē)輛的部分電子系統的附加 48V 電池將在提高可用能量上發(fā)揮核心作用，同時(shí)還可減少線(xiàn)束重量和損耗。這種額外的能量為采用新技術(shù)鋪平了道路，從而可使汽車(chē)的安全性和效率得以提升，同時(shí)降低了其 CO₂ 排放量。