汽車業(yè)的發(fā)展主要由電氣化和自動(dòng)駕駛兩大趨勢(shì)所推動(dòng)。由于歐盟設(shè)定了二氧化碳減排目標(biāo)，除了汽車電氣化，OEM別無(wú)選擇。同時(shí)，為了提高汽車安全性并實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛的最終目標(biāo)，OEM使用了越來(lái)越多的傳感器，并不斷提升計(jì)算性能來(lái)處理傳感器產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)。
汽車行業(yè)多年來(lái)一直被CASE所驅(qū)動(dòng)，即網(wǎng)聯(lián)化（Connected）、自主/自動(dòng)化（Autonomous/Automated）、共享化（Shared）和電氣化（Electric）。在這四個(gè)發(fā)展趨勢(shì)中，其中兩個(gè)聚積了更多的研發(fā)力量。
第一個(gè)是OEM汽車電氣化。由于歐盟設(shè)定了二氧化碳減排目標(biāo)（2021年為95g/km，2025年達(dá)到81g/km），除了汽車電氣化，OEM似乎別無(wú)選擇。
第二個(gè)是自主/自動(dòng)駕駛，需要OEM將越來(lái)越多的自動(dòng)駕駛功能集成在一起，以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。通過(guò)添加更多的傳感器，并不斷提升計(jì)算性能來(lái)處理這些傳感器產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)，OEM有望實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
汽車行業(yè)的電氣化正在以不斷增加的速度發(fā)生，這主要是受政府關(guān)于二氧化碳 (CO 2 ) 減排標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)。歐盟設(shè)定了一個(gè)目標(biāo)為新的車輛發(fā)出的CO只有95克/公里2 2020年中國(guó)等其他國(guó)家也在制定類似的法規(guī)。為了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，汽車制造商正在轉(zhuǎn)向輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，除了標(biāo)準(zhǔn)的 12V 汽車電池外，還使用二次高壓電池。
德國(guó)汽車制造商已經(jīng)開(kāi)始定義和構(gòu)建基于 48V 電池的系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的 12V 電池相比，48V 電池可以以更低的電流提供更多功率，同時(shí)減輕線束的重量并且不會(huì)犧牲性能。在這一發(fā)展過(guò)程中，LV 148 標(biāo)準(zhǔn)已成為雙電池汽車系統(tǒng)的主流起點(diǎn)。雙電池系統(tǒng)的頂層框圖如圖 1 所示。
圖 1：雙電池汽車系統(tǒng)框圖
擬議系統(tǒng)面臨哪些挑戰(zhàn)？你如何克服障礙？許多 OEM 系統(tǒng)要求規(guī)定能量必須可以從 48V 軌傳輸?shù)?12V 軌，反之亦然。如果電池已放電，則需要雙向電源傳輸來(lái)為其充電，并在過(guò)載情況下為相反的電壓軌提供額外的電源。為了在不損壞電池的情況下為電池充電，控制器必須能夠非常準(zhǔn)確地控制充電電流。在大多數(shù)汽車應(yīng)用中，最大功率傳輸并不小，通常落在 2kW 到 3kW 的范圍內(nèi)。兩條軌道上的電壓可能會(huì)有很大差異。根據(jù) LV 148 規(guī)范，48V 軌通常在 36V 和 52V 之間，而 12V 軌的范圍可以從 6V 到 16V。對(duì)于可能損壞系統(tǒng)的任何故障情況，還必須存在保護(hù)電路。有了這些要求，很明顯，橋接 48V 和 12V 電源軌所需的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器將不是一個(gè)微不足道的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。
意識(shí)到 48V 軌和 12V 軌的電壓范圍從不重疊，可大大降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。對(duì)于從 48V 軌到 12V 軌的功率傳輸，我們可以使用降壓轉(zhuǎn)換器，而在 12V 到 48V 軌方向上的功率傳輸可以通過(guò)升壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。由于千瓦范圍的功率要求，每個(gè)轉(zhuǎn)換器都應(yīng)使用同步 MOSFET 而不是續(xù)流二極管，以提高系統(tǒng)效率。
降壓和升壓拓?fù)湓陔娏﹄娮宇I(lǐng)域廣為人知，但設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器將占用寶貴的電路板空間并增加系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。仔細(xì)觀察這兩種拓?fù)洌覀儠?huì)發(fā)現(xiàn)降壓和升壓轉(zhuǎn)換器的動(dòng)力系統(tǒng)非常相似。兩種拓?fù)涠贾辽侔瑑蓚€(gè)功率 MOSFET、一個(gè)電感器和一定量的輸出電容?？刂破魇峭?fù)渲g的差異。在降壓拓?fù)渲校芸亻_(kāi)關(guān)是高側(cè) MOSFET，而在升壓拓?fù)渲?，它是低?cè) MOSFET。假設(shè)我們選擇了正確的控制器，只需更改受控開(kāi)關(guān)，就可以在使用相同動(dòng)力系統(tǒng)組件的同時(shí)改變電感器中的電流方向。
圖 2：?jiǎn)慰刂破麟p向轉(zhuǎn)換器的演變
雖然同步開(kāi)關(guān)對(duì)于大電流設(shè)計(jì)是必要的，但它并不是萬(wàn)能的。在 2kW 功率下，12V 電源軌將傳導(dǎo)大約 166A?？焖贋g覽一下就會(huì)告訴我們，我們需要多相操作才能實(shí)際實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)。通過(guò)使用多相架構(gòu)，我們可以減小組件的物理尺寸并使熱管理更容易。為了輕松地并聯(lián)每個(gè)電源相位，降壓或升壓模式操作中的控制方案應(yīng)該是電流模式控制。多相操作還可以實(shí)現(xiàn)每相的交錯(cuò)切換。每次不切換每個(gè)相位會(huì)減少輸出紋波，從而有助于減少電磁干擾 (EMI)。
在所有系統(tǒng)中，我們必須設(shè)計(jì)保護(hù)電路以確保操作員安全。欠壓鎖定 (UVLO) 和過(guò)壓保護(hù) (OVP) 等常見(jiàn)保護(hù)功能可確保電池不會(huì)放電過(guò)深或過(guò)度充電。峰值電感電流限制有助于保護(hù)每個(gè)電源相位免于過(guò)載和電感飽和。在雙電池汽車設(shè)置中，還需要斷路器來(lái)斷開(kāi) 48V 和 12V 電源軌之間的任何電氣連接。監(jiān)控電路還有助于擴(kuò)展安全功能。例如，在能量傳輸期間，監(jiān)控每個(gè)通道中的電流可以指示是否或何時(shí)發(fā)生故障情況。
數(shù)控 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是一種可能的解決方案，但這種方法有幾個(gè)主要缺點(diǎn)。
首先，需要大量分立元件：每個(gè)相位的電流檢測(cè)放大器、功率 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器、保護(hù)電路和監(jiān)控電路每個(gè)元件都將占用印刷電路板 (PCB) 上寶貴的空間。
其次，需要高端微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的電流和電壓控制回路。
第三，微控制器還會(huì)在保護(hù)電路中引入延遲，這會(huì)在高功率水平下造成災(zāi)難性的損壞。
第四，第四，數(shù)字控制的設(shè)計(jì)周期可能是數(shù)年。我們必須對(duì)開(kāi)關(guān)電源和數(shù)字控制有深入的了解。話雖如此，還有一些額外的好處。
第五，從系統(tǒng)層面來(lái)看，數(shù)字控制可以更加靈活，允許控制方案參數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的動(dòng)態(tài)變化。與其他子系統(tǒng)共享信息可提高整體系統(tǒng)性能。
雙通道差分電流感測(cè)傳感器和專用通道電流監(jiān)測(cè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)1％的典型電流精度。穩(wěn)定的5A半橋柵極驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)功率不低于500W /通道的并聯(lián)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)應(yīng)晶體管（MOSFET）開(kāi)關(guān)。同步整流器的二極管仿真模式可避免出現(xiàn)負(fù)向電流，但也支持通過(guò)非連續(xù)操作模式提升輕載效率。多用途保護(hù)功能包括逐周期電流限制，HV和LV端口過(guò)壓保護(hù)，MOSFET故障檢測(cè)和過(guò)熱保護(hù)。
