跨越分布式電源架構(gòu)，TI推出電動汽車最小解決方案

電動汽車作為近年來的行業(yè)熱點(diǎn)，由于其對溫度和可靠性的高要求，很多集成電路相關(guān)公司都將電動汽車市場作為其最終目標(biāo)。在這樣的大背景下，進(jìn)一步提高電動汽車普及率勢必要降本增效。

日前，TI針對電動汽車推出專有集成變壓器技術(shù)的最新器件UCC14240-Q1，TI汽車系統(tǒng)工程與市場營銷部門總監(jiān)Manack Ryan為記者介紹了這款器件的細(xì)節(jié)和誕生背景。

普及電動汽車，分布式電源架構(gòu)是重點(diǎn)

Manack Ryan向記者展示一組數(shù)據(jù)表示，在降低排放的背景下，汽車正向電動過渡，預(yù)計(jì)2025 年電動汽車銷售占比將增長至30%。如此巨大增長下，購買價(jià)格和行駛里程是阻礙電動汽車在消費(fèi)者中普及的關(guān)鍵因素。

在電價(jià)方面，如今每千瓦時(shí)平均電價(jià)已超過1000美元，預(yù)計(jì)2024年價(jià)格將跌至100美元以下。在行駛里程上，最新的電動汽車一次充電可以行駛480公里以上。隨著充電站數(shù)量的增加，越來越多的消費(fèi)者希望能夠購買電動汽車。

據(jù)介紹，電動汽車的核心是高壓電池和電動機(jī)，其中高性能和高效的電動機(jī)是內(nèi)燃機(jī)的替代品。與內(nèi)燃機(jī)相比，電動機(jī)在較低的速度下可以產(chǎn)生更大的扭矩，更簡單易用，運(yùn)動部件更少，因此維修也更容易。除此之外，電動起還可以作為發(fā)電機(jī)以在制動時(shí)獲取能量。當(dāng)然，控制電動機(jī)的前提是先進(jìn)的電子器件，以確保平穩(wěn)安全的行駛。

TI 是逆變器和電機(jī)控制的創(chuàng)新者，開發(fā)C2000和基于ARM內(nèi)核的MCU、電流和電壓傳感器、信號隔離器、通信芯片和隔離式柵極驅(qū)動器等技術(shù)。隔離式柵極驅(qū)動器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它通過開啟和關(guān)閉IGBT或SiC、MOSFET等器件來控制在電機(jī)中流動的能量。這些隔離式柵極驅(qū)動器需要合適的偏置電源來控制SiC FET或IGBT。

根據(jù)TI的洞察，電動汽車動力系統(tǒng)需要采用更先進(jìn)且體積更小的集成式變壓器模塊。改用分布式電源架構(gòu)，能夠大大提高隔離式高壓環(huán)境中的可靠性，減少設(shè)計(jì)周期與組件數(shù)量，縮小尺寸和重量。

Manack Ryan表示，分布式系統(tǒng)優(yōu)勢眾多，分布式電源由六個(gè)偏置電源組成，且能夠?qū)⒔鉀Q方案尺寸縮小至3.5mm高，能夠焊接在PCB的每個(gè)方面。

傳統(tǒng)系統(tǒng)使用單一變壓器為各個(gè)組件供電，這為現(xiàn)實(shí)應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。一是單一變壓器體積大、成本高，并且占據(jù)相當(dāng)大的空間，且在結(jié)構(gòu)振動控制方面表現(xiàn)不佳；此外，一旦該變壓器或電源出現(xiàn)問題，整個(gè)系統(tǒng)亦會癱瘓。

而在分布式系統(tǒng)中，如果某個(gè)偏置電源或柵極驅(qū)動器出現(xiàn)故障，其余五個(gè)偏置電源仍在工作，汽車也將進(jìn)入安全模式，自動?？吭诼愤叺却乱徊讲僮鳌７植际郊軜?gòu)實(shí)現(xiàn)了體積更小、重量更輕，抗振性更佳的優(yōu)點(diǎn)。

“TI的目標(biāo)是降低汽車制造商的生產(chǎn)成本和消費(fèi)者的購買價(jià)格，為使得電動汽車得到更廣泛的應(yīng)用，特此推出UCC14240-Q1這一新品”，Manack Ryan表示，TI的技術(shù)和專業(yè)知識可以幫助客戶集成動力系統(tǒng)，以降低成本和簡化設(shè)計(jì)，提高功能安全和增強(qiáng)可靠性。動力系統(tǒng)集成還能夠通過在更小的解決方案中實(shí)現(xiàn)更高的功率來擴(kuò)展驅(qū)動范圍，提高系統(tǒng)效率，并提高功率密度。

硬核集成模塊，實(shí)現(xiàn)跨越分布式電源架構(gòu)

TI全新發(fā)布的UCC14240-Q1便是有助于實(shí)現(xiàn)半分布式和分布式電源架構(gòu)的器件。UCC14240-Q1是業(yè)界最小、最精確的1.5W隔離式DC/DC電源模塊，該產(chǎn)品可將性能和功率密度提高到一個(gè)新的水平，同時(shí)通過簡單易用的設(shè)備更快地進(jìn)入市場。

傳統(tǒng)來說，反激式和推挽式轉(zhuǎn)換器通常以低于中波（AM）無線電頻段的開關(guān)頻率工作，開關(guān)頻率為550kHz及以下。這種較低的開關(guān)操作頻率，加上高壓系統(tǒng)需要的爬電距離和電氣間隙，導(dǎo)致變壓器相對較大。額定電壓的有效值為2000VRMS的推挽變壓器使用12mm×15mm的封裝面積和11mm的高度。

反之，TI的集成變壓器技術(shù)為系統(tǒng)帶來了明顯的尺寸效益。UCC14240-Q1與傳統(tǒng)解決方案與相比降低了7mm以上，縮小一半面積并將厚度降為3.55mm。此外，TI解決方案的額定絕緣電壓為更高的3000VRMS。該產(chǎn)品的絕緣性能經(jīng)由100%的生產(chǎn)測試和獨(dú)立的第三方認(rèn)證。

該產(chǎn)品使用專有集成變壓器技術(shù)，工程師可將其解決方案的體積縮小75%，并將BOM組件數(shù)量從26個(gè)縮減至10個(gè)。根據(jù)Manack Ryan的介紹，傳統(tǒng)推挽式和反激式變壓器需要幾個(gè)分立元件來構(gòu)建電路，包括整流器、緩沖器和電壓調(diào)節(jié)器。TI的集成設(shè)計(jì)將這些功能融入電路板中，消除了對復(fù)雜外部組件的需求。只需安裝一個(gè)去耦電容和電壓+電流設(shè)置電阻即可使用，不再需要反激式和推挽式電路中常見的平衡漏感和一個(gè)到二個(gè)電容的變壓器設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)工程師節(jié)省了大量的開發(fā)時(shí)間。

從器件本身來講，UCC1420-Q1的硬參數(shù)非常強(qiáng)大。集成變壓器具有3.5pF的初級到次級電容，針對EMI性能和瞬態(tài)抗擾度進(jìn)行了優(yōu)化；閉環(huán)控制可在零下40°C至150 ° C范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)±1.0%精度的雙輸出；可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動隔離式IGBT、SiC和GaN的高頻開關(guān)以及超過150V/ns的CMTI性能；完全集成了故障監(jiān)控、過流保護(hù)、過功率保護(hù)和過熱保護(hù)；借助更輕的重量和3.55mm的厚度，可實(shí)現(xiàn)卓越的抗振性。

該產(chǎn)品提供具有極高可靠性的功能，讓引腳可用于支持電源排序。此外，產(chǎn)品還提供了一個(gè)專用的電源引腳，可使MCU感知輸出調(diào)節(jié)。該引腳還可為系統(tǒng)提供故障報(bào)警。為確保平穩(wěn)上電，它還包括軟啟動保護(hù)，過功率及過溫保護(hù)。

“這是目前市場上最小的解決方案，可以用于電路板的頂部和底部，從而為設(shè)計(jì)提供更大的靈活性。UCC14240-Q1的主要目標(biāo)就是進(jìn)一步簡化設(shè)計(jì)過程”，Manack Ryan如是說。