如何治愈電動單車續(xù)航焦慮？DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)有良方

氣候變暖、自然資源稀缺和污染是全世界都在面臨的日益嚴重的環(huán)境問題。電動單車是一種可以替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的綠色節(jié)能工具，是緩解環(huán)境問題的解決方案之一。中國是全球最大的電動單車市場，銷量由 2017 年的 3050 萬輛增長至 2021 年的 4980 萬輛，復(fù)合年增長率為 13.0%，并在 2021 年占據(jù)全球總銷量的 75.9%。

直流-直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器是一種直流(DC)電源變壓電路。在不同的電動車電源配置中，連接電池和直流輸電線至少需用一個DC/DC轉(zhuǎn)換器。通過臨時存儲輸入電能，然后在不同電壓的輸出端釋放電能，DC/DC轉(zhuǎn)換器可以改變直流電壓值，從某一個電壓值變?yōu)榱硪粋€不同的數(shù)值。儲能器件不是磁場型儲能器件(電感器、變壓器)就是電場型儲能器件(電容器)。通過調(diào)整占空比(開關(guān)管的通/斷時間比值)可以控制輸入和輸出之間的功率流。這樣做是為了控制輸出電壓、輸入電流、輸出電流或保持恒定功率。在電動車上，該轉(zhuǎn)換器主要用于供給輔助負載設(shè)備，例如喇叭、LED燈和其他外圍設(shè)備。

ST先進DC/DC轉(zhuǎn)換器為電動單車發(fā)展賦能

想緩解電動車用戶的續(xù)航里程焦慮，使用DC/DC轉(zhuǎn)換器是一個理想的解決方案。意法半導(dǎo)體推出了新一代高集成度DC/DC轉(zhuǎn)換控制器L3751，提升了分立功率器件的開關(guān)性能。意法半導(dǎo)體的控制器芯片利用高性能柵極驅(qū)動器，控制MOSFET的高速開關(guān)操作，降低儲能元器件的尺寸和射電輻射量。

L3751是一款工作電壓范圍6V至75V的通用DC/DC同步轉(zhuǎn)換控制器，應(yīng)用范圍非常廣泛。新產(chǎn)品可以節(jié)省應(yīng)用電路的外部元器件，簡化開發(fā)過程，同時縮減PCB尺寸。L3751 具有40 納秒的最短導(dǎo)通時間，在100 kHz - 1 MHz開關(guān)頻率范圍內(nèi)具有極高的電壓轉(zhuǎn)換比。該控制器采用脈沖跳躍模式，在輕負載時，可最大限度地提高能效，有效控制輸出電壓紋波。強制 PWM (FPWM) 模式在負載范圍內(nèi)可以保持開關(guān)頻率恒定，并最大限度地減少輸出電壓紋波。片上集成的柵極驅(qū)動器可以最大限度地減少外部組件的數(shù)量，并且專為標準 VTH MOSFET優(yōu)化設(shè)計。為了確保電動單車等關(guān)鍵應(yīng)用的安全，控制器內(nèi)置全面的安全保護功能，包括輸出過流保護、輸入電壓 UVLO保護、內(nèi)部電壓監(jiān)控、熱關(guān)斷。

圖 1：典型應(yīng)用電路原理圖

圖 2：簡化框圖

L3751功能描述

L3751是一款基于恒定頻率電壓控制式架構(gòu)的原生降壓轉(zhuǎn)換控制器。該芯片將反饋引腳(FB)檢測的輸出電壓VOUT與內(nèi)部參考電壓(0.8V)比較，然后在COMP 引腳上提供誤差信號，最后根據(jù)COMP電壓值與內(nèi)部可編程頻率鋸齒波的比較結(jié)果，控制外部功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間。如圖 2 所示，內(nèi)部主要模塊包括：

? 穩(wěn)壓器 : 為內(nèi)部電路供電，提供內(nèi)部固定參考電壓。該模塊還實現(xiàn)了電壓監(jiān)測電路 (UVLO)，用于監(jiān)測輸入電壓和內(nèi)部電壓；

? 集成外部 N 溝道 MOSFET的驅(qū)動器和自舉電容電路：為高邊開關(guān)驅(qū)動器供電

?集成鋸齒波生成電路：根據(jù)內(nèi)部可編程振蕩器或輸入同步信號調(diào)節(jié)占空比；為改善控制器對線路電壓瞬變的響應(yīng)性能，實現(xiàn)了輸入電壓前饋電路

? 電壓模式誤差放大器

? PWM 比較器和相關(guān)模擬和數(shù)字電路：用于控制內(nèi)部 MOSFET的驅(qū)動器

? 軟啟動電路和參考電壓鉗位器：用于在啟動階段限制浪涌電流

? 可調(diào)節(jié)的無傳感器或精準谷流限制感測模塊和打嗝電路；處理過載和短路情況

? 防止熱失控的熱關(guān)斷電路

? 輸出電壓監(jiān)控電路：如果輸出電壓測量值在目標值的87%以上，就會發(fā)送PGOOD 電源良好信號。

控制器的二極管仿真模式(DEM)可提高在輕負載時的應(yīng)用能效。在輕負載時，DEM模式以 DCM 和脈沖跳躍方式運行，最大限度地提高輕負載能效，并控制輸出電壓紋波，以最大限度地減少轉(zhuǎn)換損耗。在負載范圍內(nèi)的強制 PWM (FPWM) 模式可以保持開關(guān)頻率恒定，并最大限度地減少輸出電壓紋波，建議在傳感器或模擬電路的電源等低噪聲應(yīng)用中使用DEM模式。

參考設(shè)計

意法半導(dǎo)體為用戶提供基于L3751的參考設(shè)計，如圖 3 所示，適用于輸入電壓 36-72VDC、輸出電壓12VDC、10A 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

圖 3：L3751直流轉(zhuǎn)換器參考方案

圖 4：參考板原理圖

電路描述

輸入級組件包括組成PI 網(wǎng)絡(luò)的大容量電容器、濾波電路(C4、C5 和 L1)，以減輕高頻開關(guān)操作引起的高頻射電輻射。輸入直流總線電壓連接控制器的VIN引腳(引腳20)，在路徑中有串聯(lián)電阻。VIN為控制器內(nèi)部電路供電，同時供給內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器，以產(chǎn)生 7.5V的Vcc 輸出電壓。VIN還是內(nèi)部柵極驅(qū)動器的電源。在引腳 20上需要連接一個小的MLCC 電容。通過輸入分壓電路在使能引腳(引腳 1)上施加偏壓，以便在 40V時啟用控制器，避免電池深度放電。一旦EN/UVLO引腳電壓超過1.2 V 典型值，軟啟動階段就會開始，SS/TRK 引腳電壓上升，控制器啟動。為了在40V最小輸入電壓時控制器能夠運行，電阻器 R1 和 R6的阻值分別選擇100K 和 4.7K。為確?？刂苹芈方^對穩(wěn)定，并不受電容器類型的影響，控制器實現(xiàn)了 III 型補償器，為開發(fā)者提供了兩個零點和三個極點，確保相位裕度足以提高階躍負載的性能。

性能和測試結(jié)果

我們在各種負載條件下測試了電路板，并得到了能效和性能測試結(jié)果。

圖5：輸入電壓對能效和負載變化

結(jié)語

在中國，來自政策端、技術(shù)端、市場端、需求端的新變革一起助推電動單車行業(yè)加速發(fā)展。中國日均兩輪出行次數(shù)超過10億，電動單車是80%國民出行的選擇。據(jù)5G物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù)，預(yù)計中國電動自行車市場規(guī)模2021年增量市場將達6000萬輛。而高效的DC/DC轉(zhuǎn)換器等新技術(shù)可幫助電動車電子系統(tǒng)滿足更小、更高效、性能更好的需求，從而推動市場發(fā)展。