跨越分布式電源架構，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，由于其對溫度和可靠性的高要求，很多集成電路相關公司都將電動汽車市場作為其最終目標。在這樣的大背景下，進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節(jié)和誕生背景。

普及電動汽車，分布式電源架構是重點

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，預計2025 年電動汽車銷售占比將增長至30%。如此巨大增長下，購買價格和行駛里程是阻礙電動汽車在消費者中普及的關鍵因素。

在電價方面，如今每千瓦時平均電價已超過1000美元，預計2024年價格將跌至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，其中高性能和高效的電動機是內(nèi)燃機的替代品。與內(nèi)燃機相比，電動機在較低的速度下可以產(chǎn)生更大的扭矩，更簡單易用，運動部件更少，因此維修也更容易。除此之外，電動起還可以作為發(fā)電機以在制動時獲取能量。當然，控制電動機的前提是先進的電子器件，以確保平穩(wěn)安全的行駛。

TI 是逆變器和電機控制的創(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。隔離式柵極驅(qū)動器是系統(tǒng)的關鍵部分，它通過開啟和關閉IGBT或SiC、MOSFET等器件來控制在電機中流動的能量。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)需要采用更先進且體積更小的集成式變壓器模塊。改用分布式電源架構，能夠大大提高隔離式高壓環(huán)境中的可靠性，減少設計周期與組件數(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的每個方面。

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

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

“TI的目標是降低汽車制造商的生產(chǎn)成本和消費者的購買價格，為使得電動汽車得到更廣泛的應用，特此推出UCC14240-Q1這一新品”，Manack Ryan表示，TI的技術和專業(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計，提高功能安全和增強可靠性。動力系統(tǒng)集成還能夠通過在更小的解決方案中實現(xiàn)更高的功率來擴展驅(qū)動范圍，提高系統(tǒng)效率，并提高功率密度。

硬核集成模塊，實現(xiàn)跨越分布式電源架構

TI全新發(fā)布的UCC14240-Q1便是有助于實現(xiàn)半分布式和分布式電源架構的器件。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新的水平，同時通過簡單易用的設備更快地進入市場。

傳統(tǒng)來說，反激式和推挽式轉(zhuǎn)換器通常以低于中波（AM）無線電頻段的開關頻率工作，開關頻率為550kHz及以下。這種較低的開關操作頻率，加上高壓系統(tǒng)需要的爬電距離和電氣間隙，導致變壓器相對較大。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)測試和獨立的第三方認證。

該產(chǎn)品使用專有集成變壓器技術，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個縮減至10個。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分立元件來構建電路，包括整流器、緩沖器和電壓調(diào)節(jié)器。TI的集成設計將這些功能融入電路板中，消除了對復雜外部組件的需求。只需安裝一個去耦電容和電壓+電流設置電阻即可使用，不再需要反激式和推挽式電路中常見的平衡漏感和一個到二個電容的變壓器設計，為設計工程師節(jié)省了大量的開發(fā)時間。

從器件本身來講，UCC1420-Q1的硬參數(shù)非常強大。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)可實現(xiàn)±1.0%精度的雙輸出；可實現(xiàn)驅(qū)動隔離式IGBT、SiC和GaN的高頻開關以及超過150V/ns的CMTI性能；完全集成了故障監(jiān)控、過流保護、過功率保護和過熱保護；借助更輕的重量和3.55mm的厚度，可實現(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)提供故障報警。為確保平穩(wěn)上電，它還包括軟啟動保護，過功率及過溫保護。

“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，從而為設計提供更大的靈活性。UCC14240-Q1的主要目標就是進一步簡化設計過程”，Manack Ryan如是說。