48V / 12V 雙電池汽車系統(tǒng) 需要雙向 DC/DC 控制器以實現(xiàn)最佳性能

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、再加上相關的功率需求，催生了一系列新的工程設計機遇和挑戰(zhàn)。因此，具有其 3kW 功率限值的 12V 鉛酸電池汽車系統(tǒng)得到了補充。

新近提出的一項汽車標準 LV148 把一根輔助的 48V 總線與現(xiàn)有的 12V 系統(tǒng)組合起來。48V 電源軌包括一個集成式起動發(fā)電機 (ISG) 或一個帶式起動發(fā)電機、一個 48V 鋰離子電池和一個用于從 48V 和 12V 組合式電池提供高達 10kW 可用電能的雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。此項技術面向傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車、以及混合動力電動車和輕度混合動力車，因為汽車制造商竭力地滿足要求日益嚴苛的 CO₂ 排放目標。

通常，12V 總線將繼續(xù)為點火、照明、信息娛樂和音頻系統(tǒng)供電。48V 總線將向主動底盤系統(tǒng)、空調(diào)壓縮機、可調(diào)懸掛、電子超級電容器 / 渦輪增壓機供電并支持再生制動。另外，使用一根附加 48V 總線 (預計很快就將在量產(chǎn)車型上提供) 的決定還能支持引擎起動，這將使軟起動操作更加平穩(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% 的時間是花費在汽車里的。于是，把多媒體和遠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算機、攝像機、雷達和激光雷達 (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，動力傳動系統(tǒng)組件、動力轉(zhuǎn)向、油泵和水泵將從機械式轉(zhuǎn)換為電動式。

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，盡管很多汽車供應商看到了在未來短短幾年里市場對于自動駕駛汽車最終所需之技術構(gòu)件的強勁需求。根據(jù)有些汽車制造商提供的信息，對于內(nèi)燃機引擎汽車而言，基于 48V 的電氣系統(tǒng)可使燃油經(jīng)濟性提升 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立于引擎負載而工作的電力升壓器技術，由此幫助改善汽車的加速性能。已經(jīng)處在其高級開發(fā)階段的壓縮機被置于進氣系統(tǒng)和中間冷卻器之間，并采用 48V 以啟動渦輪增壓機。

然而，對于整條產(chǎn)業(yè)價值鏈上的供應商來說，在汽車中實現(xiàn)一個額外的 48V 電源網(wǎng)絡則轉(zhuǎn)化為了重大的設計挑戰(zhàn)。特別地，半導體和電子控制單元 (ECU) 的供應商將受到影響，他們將需要把產(chǎn)品的工作范圍調(diào)節(jié)至較高的電壓，而且部分地重新設計自己的產(chǎn)品。相應地，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的制造商將需要開發(fā)和推出專用的 IC 以實現(xiàn)這種高功率傳輸。凌力爾特設計和開發(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，以達到節(jié)能的目的，同時因其低得多的功率損耗而最大限度地減少了所需的熱設計。

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，并允許兩個電池在需要的時候向同一個負載供應電流。早期的大多數(shù) 48V / 12V 雙電池 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設計采用不同的功率組件來實現(xiàn)升壓和降壓。然而，凌力爾特近期推出的 LTC3871 雙向 DC/DC 控制器采用與實現(xiàn)降壓相同的外部功率組件來執(zhí)行升壓轉(zhuǎn)換。

單個雙向 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施加的控制信號按需配置?？梢詫Χ噙_ 12 相位實施并聯(lián)和異相定時，以最大限度地減少針對高電流應用 (高達 250A) 的輸入和輸出濾波要求。當并聯(lián)時，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 相設計，可在降壓模式或升壓模式中提供高達 5kW 的功率。

當起動汽車或需要額外的功率時，LTC3871 通過把能量從一個電路板網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換至另一個電路板網(wǎng)絡而允許兩個電池同時提供電能。可實現(xiàn)高達 97% 的效率，而且片內(nèi)電流設置環(huán)路負責調(diào)節(jié)可在任一方向上輸送至負載的最大電流。4 個控制環(huán)路 (2 個用于電流，2 個用于電壓) 可在 48V 或 12V 電路板網(wǎng)絡上實現(xiàn)電壓和電流控制。

LTC3871 工作在一個介于 60kHz 和 475kHz 之間的可選固定頻率，并能同步至一個頻率位于相同范圍內(nèi)的外部時鐘。在輕負載時，用戶可以選擇執(zhí)行連續(xù)操作或脈沖跳躍操作。該器件的其他特點包括過載和短路保護、針對降壓和升壓的獨立環(huán)路補償、用于提高效率的 EXTV_CC、整個溫度范圍內(nèi)的 ±1% 輸出電壓調(diào)節(jié)準確度、以及欠壓和過壓閉鎖功能。LTC3871 已被驗證符合 AEC-Q100 規(guī)范，并且專為 ISO 26262 系統(tǒng)中的診斷覆蓋而設計。

LTC3871 采用耐熱性能增強型 48 引腳 LQFP 封裝。有三種溫度級版本，擴展和工業(yè)溫度級版本在 –40°C 至 125°C 溫度范圍內(nèi)運行，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。

圖 1：LTC3871 雙向原理圖 (從一個 26V 至 58V 輸入產(chǎn)生 12V 輸入，可提供 30A 電流)

集成式起動發(fā)電機 (ISG)

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

1. 為了免除起動機，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)電機中的滑環(huán)和電刷

ISG 具有三個重要的特點，它們是啟-停功能、發(fā)電和動力輔助。ISG 使得內(nèi)燃發(fā)動機能夠關斷其電機以在汽車停駛時節(jié)省燃油，并在踩壓油門踏板時立即重新起動汽車。ISG 通常被稱作啟-停系統(tǒng)，其有助于在起動引擎時實現(xiàn)較為平穩(wěn)的轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)的交流發(fā)電機相似，ISG 在汽車運行時產(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)。在再生制動過程中產(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)燃機汽車中的。

圖 2：LTC3871 典型應用方框圖

降壓和升壓模式

利用一個簡單的控制信號可使 LTC3871 動態(tài)和無縫地從降壓模式切換至升壓模式，反之亦然。有兩個用于 V_HIGH 或 V_LOW 調(diào)節(jié)的單獨誤差放大器。擁有兩個誤差放大器可獨立地針對降壓和升壓模式進行環(huán)路補償?shù)奈⒄{(diào)，以優(yōu)化瞬態(tài)響應。當選擇降壓模式時，對應的誤差放大器被使能，而且 I_THLOW 電壓負責控制峰值電感器電流。另一個誤差放大器被停用。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)部軟起動功能電路復位。使軟起動復位并把 I_TH 引腳置于零電流水平可確保實現(xiàn)至新選擇模式的平滑轉(zhuǎn)換。

多相操作

可對多個 LTC3871 進行菊鏈式連接以實現(xiàn)異相運行，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 LTC3871 的 CLKOUT 信號?？砂?CLKOUT 信號連接至后一個 LTC3871 級的 SYNC 引腳，以與整個系統(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運行。

圖 3 所示的 LTC3871 演示電路 DC2348A 可利用一個或兩個 LTC3871 器件配置為 2 相或 4 相。下面的照片示出了 4 相版本，當工作在降壓模式時，該演示電路具有一個 30V 至 75V 的輸入電壓范圍，并在高達 60A 的電流下產(chǎn)生一個 12V 輸出。當工作于升壓模式時，輸入電壓范圍為 10V 至 13V，并在高達 10A 的電流條件下產(chǎn)生一個 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 LTC3871 器件的四相演示電路板設計。降壓模式曲線是從 48V 降壓至 12V (在高達 60A)，而升壓曲線則是從 12V 升壓至 48V (在高達 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 (對于四相設計)

過流保護

在降壓模式中，LTC3871 包括電流折返保護功能，以限制過流情況下或 V_LOW 短路至地時的功率耗散。如果 V_LOW 降至低于其標稱輸出電平的 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 的體二極管傳導電流 (從輸入至輸出)。因此，如果未采用一個隔離二極管或 MOSFET 來阻隔電流，那么一個輸出 (V_HIGH) 短路將下拉輸入 (V_LOW)。當 V_HIGH 短路至地時，LTC3871 采用一個外部低 R_DS(ON) P 溝道 MOSFET 來提供輸入短路保護。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 U_VHIGH 引腳電壓變至低于其 1.2V 門限時，F(xiàn)AULT 引腳在 125μs 之后走低。在該點上，PGATE 引腳關斷外部 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)。可以對多達 12 相實施并聯(lián)以滿足高電流應用的需要。當起動汽車或需要額外的功率時，LTC3871 允許兩個電池同時為同一個負載提供電能。運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，同時還可減少線束重量和損耗。這種額外的能量為采用新技術鋪平了道路，從而可使汽車的安全性和效率得以提升，同時降低了其 CO₂ 排放量。