背景

隨著油耗法規(guī)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 汽車電氣系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了其可用功率極限。而且，汽車電子系統(tǒng)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(shè)計(jì)機(jī)遇和挑戰(zhàn)。因此，具有其 3kW 功率限值的 12V 鉛酸電池汽車系統(tǒng)得到了補(bǔ)充。

新近提出的一項(xiàng)汽車標(biāo)準(zhǔn) LV148 把一根輔助的 48V 總線與現(xiàn)有的 12V 系統(tǒng)組合起來。48V 電源軌包括一個(gè)集成式起動(dòng)發(fā)電機(jī) (ISG) 或一個(gè)帶式起動(dòng)發(fā)電機(jī)、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(dá) 10kW 可用電能的雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。此項(xiàng)技術(shù)面向傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車、以及混合動(dòng)力電動(dòng)車和輕度混合動(dòng)力車，因?yàn)槠囍圃焐探吡Φ貪M足要求日益嚴(yán)苛的 CO₂ 排放目標(biāo)。

通常，12V 總線將繼續(xù)為點(diǎn)火、照明、信息娛樂和音頻系統(tǒng)供電。48V 總線將向主動(dòng)底盤系統(tǒng)、空調(diào)壓縮機(jī)、可調(diào)懸掛、電子超級電容器 / 渦輪增壓機(jī)供電并支持再生制動(dòng)。另外，使用一根附加 48V 總線 (預(yù)計(jì)很快就將在量產(chǎn)車型上提供) 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(wěn)。再者，較高的電壓意味著所需的電纜截面積較小，這將減小電纜尺寸和重量。當(dāng)今的高端汽車可能具有超過 4km 的配線。汽車將變得更像 PC，從而為許多即插即用式裝置創(chuàng)造了可能性。平均來說，通勤者每天有 9% 的時(shí)間是花費(fèi)在汽車?yán)锏?。于是，把多媒體和遠(yuǎn)程信息處理引入汽車可以潛在地提高工作效率和提供額外的娛樂。

用于自主駕駛的主要組件包括計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、雷達(dá)和激光雷達(dá) (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)，還包括其他車輛和建筑物、交通信號燈及所處環(huán)境中的其他構(gòu)造物。此外，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)組件、動(dòng)力轉(zhuǎn)向、油泵和水泵將從機(jī)械式轉(zhuǎn)換為電動(dòng)式。

48V 電池系統(tǒng)的未來距離我們要比全自主駕駛型汽車近得多，盡管很多汽車供應(yīng)商看到了在未來短短幾年里市場對于自動(dòng)駕駛汽車最終所需之技術(shù)構(gòu)件的強(qiáng)勁需求。根據(jù)有些汽車制造商提供的信息，對于內(nèi)燃機(jī)引擎汽車而言，基于 48V 的電氣系統(tǒng)可使燃油經(jīng)濟(jì)性提升 10% 至 15%，從而減少 CO₂ 排放量。

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

然而，對于整條產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈上的供應(yīng)商來說，在汽車中實(shí)現(xiàn)一個(gè)額外的 48V 電源網(wǎng)絡(luò)則轉(zhuǎn)化為了重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。特別地，半導(dǎo)體和電子控制單元 (ECU) 的供應(yīng)商將受到影響，他們將需要把產(chǎn)品的工作范圍調(diào)節(jié)至較高的電壓，而且部分地重新設(shè)計(jì)自己的產(chǎn)品。相應(yīng)地，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的制造商將需要開發(fā)和推出專用的 IC 以實(shí)現(xiàn)這種高功率傳輸。凌力爾特設(shè)計(jì)和開發(fā)了一些能夠簡化此類能量傳輸并具有非常高效率的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以達(dá)到節(jié)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(shè)計(jì)。

很明顯，對于在 12V 和 48V 電池之間來回切換的雙向降壓和升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器存在著需求。該 DC/DC 轉(zhuǎn)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(fù)載供應(yīng)電流。早期的大多數(shù) 48V / 12V 雙電池 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)采用不同的功率組件來實(shí)現(xiàn)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(xiàn)降壓相同的外部功率組件來執(zhí)行升壓轉(zhuǎn)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 總線至 12V 總線) 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。可以對多達(dá) 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(yīng)用 (高達(dá) 250A) 的輸入和輸出濾波要求。當(dāng)并聯(lián)時(shí)，該器件的高級電流模式控制架構(gòu)在相位之間提供了極佳的電流匹配。對于 12 相設(shè)計(jì)，可在降壓模式或升壓模式中提供高達(dá) 5kW 的功率。

當(dāng)起動(dòng)汽車或需要額外的功率時(shí)，LTC3871 通過把能量從一個(gè)電路板網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)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(xiàn)高達(dá) 97% 的效率，而且片內(nèi)電流設(shè)置環(huán)路負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)可在任一方向上輸送至負(fù)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(xiàn)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(nèi)的外部時(shí)鐘。在輕負(fù)載時(shí)，用戶可以選擇執(zhí)行連續(xù)操作或脈沖跳躍操作。該器件的其他特點(diǎn)包括過載和短路保護(hù)、針對降壓和升壓的獨(dú)立環(huán)路補(bǔ)償、用于提高效率的 EXTV_CC、整個(gè)溫度范圍內(nèi)的 ±1% 輸出電壓調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度、以及欠壓和過壓閉鎖功能。LTC3871 已被驗(yàn)證符合 AEC-Q100 規(guī)范，并且專為 ISO 26262 系統(tǒng)中的診斷覆蓋而設(shè)計(jì)。

LTC3871 采用耐熱性能增強(qiáng)型 48 引腳 LQFP 封裝。有三種溫度級版本，擴(kuò)展和工業(yè)溫度級版本在 –40°C 至 125°C 溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，高溫汽車級版本則工作在 –40°C 至 150°C 溫度范圍。下面的圖 1 示出了其典型應(yīng)用電路原理圖。示于原理圖頂部的 P 溝道 MOSFET 用于過流和短路保護(hù)。

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(jī) (ISG)

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

1. 為了免除起動(dòng)機(jī)，在引擎操作期間它是僅有的無源部件

2. 取代目前在交流發(fā)電機(jī)和曲軸之間的皮帶及皮帶盤耦合

3. 在拋載期間提供發(fā)電機(jī)電壓的快速控制

4. 為了免除某些現(xiàn)用繞線轉(zhuǎn)子交流發(fā)電機(jī)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(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)能夠關(guān)斷其電機(jī)以在汽車停駛時(shí)節(jié)省燃油，并在踩壓油門踏板時(shí)立即重新起動(dòng)汽車。ISG 通常被稱作啟-停系統(tǒng)，其有助于在起動(dòng)引擎時(shí)實(shí)現(xiàn)較為平穩(wěn)的轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)相似，ISG 在汽車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生電能。此外，ISG 還能通過產(chǎn)生電能為汽車減速提供幫助 (再生制動(dòng))。在再生制動(dòng)過程中產(chǎn)生的電能給 48V 電池充電，這反過來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(nèi)燃機(jī)汽車中的。

圖 2：LTC3871 典型應(yīng)用方框圖

降壓和升壓模式

利用一個(gè)簡單的控制信號可使 LTC3871 動(dòng)態(tài)和無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(diào)節(jié)的單獨(dú)誤差放大器。擁有兩個(gè)誤差放大器可獨(dú)立地針對降壓和升壓模式進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償?shù)奈⒄{(diào)，以優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)選擇降壓模式時(shí)，對應(yīng)的誤差放大器被使能，而且 I_THLOW 電壓負(fù)責(zé)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(zhuǎn)換或升壓至降壓轉(zhuǎn)換期間，內(nèi)部軟起動(dòng)功能電路復(fù)位。使軟起動(dòng)復(fù)位并把 I_TH 引腳置于零電流水平可確保實(shí)現(xiàn)至新選擇模式的平滑轉(zhuǎn)換。

多相操作

可對多個(gè) LTC3871 進(jìn)行菊鏈?zhǔn)竭B接以實(shí)現(xiàn)異相運(yùn)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(tǒng)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(yùn)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(dāng)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(dá) 60A 的電流下產(chǎn)生一個(gè) 12V 輸出。當(dāng)工作于升壓模式時(shí)，輸入電壓范圍為 10V 至 13V，并在高達(dá) 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 效率曲線表示的是采用兩個(gè) LTC3871 器件的四相演示電路板設(shè)計(jì)。降壓模式曲線是從 48V 降壓至 12V (在高達(dá) 60A)，而升壓曲線則是從 12V 升壓至 48V (在高達(dá) 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 (對于四相設(shè)計(jì))

過流保護(hù)

在降壓模式中，LTC3871 包括電流折返保護(hù)功能，以限制過流情況下或 V_LOW 短路至地時(shí)的功率耗散。如果 V_LOW 降至低于其標(biāo)稱輸出電平的 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 將開始執(zhí)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(dǎo)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 來阻隔電流，那么一個(gè)輸出 (V_HIGH) 短路將下拉輸入 (V_LOW)。當(dāng) V_HIGH 短路至地時(shí)，LTC3871 采用一個(gè)外部低 R_DS(ON) P 溝道 MOSFET 來提供輸入短路保護(hù)。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(dāng) U_VHIGH 引腳電壓變至低于其 1.2V 門限時(shí)，F(xiàn)AULT 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(jié)論

LTC3871 通過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、控制和簡化帶給了 48V / 12V 雙電池 DC/DC 汽車系統(tǒng)。該器件可按需工作在降壓模式 (從 48V 總線至 12V 總線) 或升壓模式 (從 12V 至 48V)?？梢詫Χ噙_(dá) 12 相實(shí)施并聯(lián)以滿足高電流應(yīng)用的需要。當(dāng)起動(dòng)汽車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(fù)載提供電能。運(yùn)行車輛的部分電子系統(tǒng)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，從而可使汽車的安全性和效率得以提升，同時(shí)降低了其 CO₂ 排放量。