您最近開(kāi)過(guò)一款新車(chē)嗎？新車(chē)可帶來(lái)極為新奇的體驗，不僅有高級儀表、觸摸屏、互聯(lián)娛樂(lè )系統，而且還有高級照明設備，這些都需要電源。所有這些電子產(chǎn)品的背后都是電池穩壓器和電池充電器，其可管理輸入輸出 12V、24V 及 48V 電池的電源。每年“必須有”支持的配件和電子系統按預期在增長(cháng)，配套電源組件的尺寸，重量和數量將跟上電力需求的增長(cháng)。
48Vin 汽車(chē)電源的出現
汽車(chē)電子產(chǎn)品會(huì )消耗大量的電力，為了不斷滿(mǎn)足這些需求，許多更新的汽車(chē)配備了由 12V 傳統鉛酸電池和 48V 鋰離子電池組成的雙電池系統。在歐洲已盛行的“微型”及“輕型”混合動(dòng)力車(chē)在包括美國市場(chǎng)在內的整個(gè)世界勢頭正勁。微型及輕型混合動(dòng)力車(chē)使用 12V 電池和 48V 鋰離子電池。這些雙電池車(chē)輛在車(chē)輛停止時(shí)關(guān)閉引擎，在駕駛員腳踩離合器或踩油門(mén)踏板時(shí)重新啟動(dòng)引擎。該自動(dòng)停／啟特性已證實(shí)可將燃油經(jīng)濟性提升 5% 至 10%。在這些系統中，12V 或 24V 鉛酸電池支持啟動(dòng)以及傳統汽車(chē)中的所有典型電子產(chǎn)品，如儀表板、娛樂(lè )系統和前大燈等。48V 鋰離子電池可為 空調壓縮機和主動(dòng)底盤(pán)系統等高負載系統供電，其可能還包括轉向、再生煞車(chē)和穩定性管理等。如圖 1 所示，雙電池方案依靠工作在不同電壓下的不同電池技術(shù)相互補充。因此，所需的線(xiàn)路穩壓器不僅可接受寬范圍的輸入電壓，而且還可在降壓（步降）與升壓（步升）模式間切換時(shí),提供穩定穩壓輸出。
有些人會(huì )反駁，雙電池混合電壓系統只是全面 48V 汽車(chē)系統的鋪墊。在未來(lái) 5 到10 年內，48V 電子產(chǎn)品將開(kāi)始取代用于汽車(chē)電子產(chǎn)品的傳統 12V 電軌。 在這個(gè)過(guò)渡階段，對于可支持原有 12V 系統和未來(lái) 48V 系統的電源組件的需求仍將增加。
DC/DC 電池穩壓和充電需要多功能性
為汽車(chē)應用及配件供電的電池的 DC/DC 穩壓與充電有其一系列獨特的要求和挑戰。電池供電電壓就其本質(zhì)而言，容易因溫度、負載和電量狀態(tài)而發(fā)生巨大變化。這些寬范圍的電壓擺幅需要可在降壓與升壓模式間自動(dòng)無(wú)縫轉換的高靈活DC/DC 穩壓器。
例如在正常使用過(guò)程中，典型 12V 汽車(chē)電池輸出電壓在 8V 至 16.5V 之間。請查看圖 2 和圖 3 的電壓與電量狀態(tài)曲線(xiàn)。在低溫下或在老化電池上進(jìn)行測量時(shí)，電壓擺幅會(huì )進(jìn)一步加劇。此外，線(xiàn)路穩壓器還必須能夠應對由交流發(fā)電機充電的電池，必須時(shí)刻準備著(zhù)用于可產(chǎn)生大量感應電壓瞬態(tài)的負載突降環(huán)境。
若未加抑制，這些電壓的峰值會(huì )高達 120V，而且需要箝位電路才能使這些負載突降電壓等于或低于 12V 電池的 40V 及 24V 系統的 60V 。這些寬輸入擺幅會(huì )高達60V，不僅對于許多穩壓器而言太大，而且大部分穩壓器在其輸入超過(guò) 36V 時(shí)還會(huì )停止穩壓。能夠管理整個(gè) 8V 至 60V 輸入范圍電壓擺幅并能在實(shí)際情況下仍保持穩定穩壓輸出的解決方案非常少。
電池穩壓器應支持恒流、恒壓
一般而言，負載穩壓器有望提供穩定的負載穩壓，帶來(lái)足以快速調整負載瞬態(tài)的帶寬。部署在電池供電系統中時(shí)，另外還需要對電池再充電。為了同時(shí)支持負載穩壓及電池充電，穩壓器也應能夠在傳統電壓優(yōu)先級與電流優(yōu)先級模式間切換。需要能夠在恒流／恒壓 (CC/CV) 模式間來(lái)回切換的穩壓器來(lái)實(shí)施用于充電電池的典型 CC/CV 方案。穩壓器若具備這項功能，完成電池充電無(wú)需其它的專(zhuān)用穩壓器。
器件如果具有恒壓恒流能力，那么一個(gè)器件就可以解決電池充電、預充電／再充電大容量保持電容器或穩壓負載。越來(lái)越多的電子產(chǎn)品廠(chǎng)商發(fā)現了其通過(guò)汽車(chē)配件市場(chǎng)切入汽車(chē)市場(chǎng)的途徑，因而支持電池充電方案的通用穩壓器有不斷增長(cháng)的需求。
全輸入電壓范圍的等值效率可簡(jiǎn)化系統設計
新一代升降壓穩壓器也可通過(guò)提升寬輸入范圍的效率來(lái)超越傳統穩壓器。穩壓器效率只提升幾個(gè)百分點(diǎn)乍看可能并不重要，但將其放在應用環(huán)境中時(shí)，就真的很重要了。更直白的說(shuō)，效率確實(shí)很重要，即使是在電池供電移動(dòng)設備的低功耗應用中，高效延長(cháng)了電池使用壽命。在更高功率應用（大于 50W）中也是如此。判斷升降壓穩壓器性能時(shí)要注意的重要特性是在整個(gè)線(xiàn)路輸入范圍內效率曲線(xiàn)的平緩度。許多穩壓器都號稱(chēng)在窄小范圍內有高效率，這對于輸入電壓還算穩定的應用而言是可以接受的。然而，在調整電池寬范圍的變量時(shí)，應該更密切地關(guān)注穩壓器效率曲線(xiàn)的平緩度。效率線(xiàn)均勻的優(yōu)勢在于可簡(jiǎn)化散熱設計，系統設計人員可以針對整個(gè)工作范圍的均勻熱負載進(jìn)行規劃。
效率對散熱設計及成本的影響
轉換效率可直接影響系統的散熱設計和可靠性，其進(jìn)而會(huì )影響總體系統成本。與常規 DC/DC 穩壓器相比，新一代 DC/DC 穩壓器可輕松將效率提升 2 至 3 個(gè)百分點(diǎn)。效率提升 2% 至 3% 相當于在 100W 至 200W 汽車(chē)應用中節省 2W 至 6W 的功率。負載時(shí)，這會(huì )使必須從系統耗散的熱量降低 2W 至 6W。此外，這些對效率的增量提升也可擴增系統的散熱裕量。該裕量不僅可實(shí)現在更大范圍的溫度下全面供電，同時(shí)還能降低相關(guān)散熱成本，并提供更穩健的設計。另外，更高效率的電源轉換還可降低電源發(fā)電機對負載或對電池再充電所提供的每單位能量的需求。
尺寸小、重量輕，可帶來(lái)更優(yōu)異的解決方案
尺寸、功率密度以及對更高效解決方案的需求，仍然是頭等大事。在電池供電汽車(chē)應用中，制造商正被迫實(shí)現更高的能源經(jīng)濟性，而消費者則希望車(chē)內有更多的電子設備。雖然車(chē)內電子設備的總體數量的穩步增長(cháng)，但是車(chē)內的空間是很少變化的。要為支持這些更多電子設備的穩壓器找到空間實(shí)屬不易。此外，輕量級解決方案的需求對于達到車(chē)輛重量目標及能源經(jīng)濟標準也很重要。
隨著(zhù)汽車(chē)配件的升級，系統設計人員必須在不增加分配給穩壓器的空間的情況下，努力提升額定功率容量，因此，需要輕量級、高功率密度的解決方案，在比原有解決方案尺寸更�。ɑ蛳嗤┑姆庋b內，支持更大的負載。新一代升降壓穩壓器可通過(guò)提升其工作開(kāi)關(guān)頻率滿(mǎn)足這一需求。開(kāi)關(guān)頻率愈高，功率電感器及相關(guān)濾波電容器等能量?jì)Υ鏌o(wú)源組件就愈小。更小的電源組件及濾波組件有助于縮小空間、實(shí)現更高的功率密度。
新一代升降壓穩壓器
雙電池汽車(chē)系統現已變得隨處可見(jiàn)，而且也正在提升對最新電池供電 DC/DC 轉換解決方案的需求，這一需求包括零配件市場(chǎng)電子組件的持續擴增，例如音視頻娛樂(lè )、導航以及視頻監控系統。視頻監控系統加裝到公共汽車(chē)、運輸車(chē)以及出租車(chē)上的情況越來(lái)越多（參見(jiàn)圖 4）。
當前的汽車(chē)配件需要能進(jìn)行寬范圍輸入線(xiàn)路穩壓的新一代升降壓穩壓器，這種穩壓器可提供電壓與電流優(yōu)先級調節，作為電池充電解決方案的一部分。由于能夠在線(xiàn)路輸入范圍內實(shí)現高效充電與穩壓，系統設計人員不僅可簡(jiǎn)化其材料清單，而且還可使用單個(gè) DC/DC 穩壓器來(lái)支持多種產(chǎn)品設計。
通用性對于日新月異的汽車(chē)市場(chǎng)極為重要
汽車(chē)電子產(chǎn)品與配件的數量及種類(lèi)不斷增加，因而，對支持這些電子產(chǎn)品的更先進(jìn)電源組件的需求也在不斷攀升。這些系統主要依靠多種電池化學(xué)成分，可在不同電壓下工作，從而帶來(lái)了對可支持 12V 與 48V 系統的新一代 DC/DC 穩壓器的需求。靈活性、尺寸、密度和效率是一些重要特性，為當前及未來(lái)不斷演進(jìn)的汽車(chē)選擇電源解決方案時(shí)需仔細考量。 |
