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借助专用电源转换器消除汽车系统中 12 V 与 48 V 双电压差别

作者:Steven Keeping

投稿人:Digi-Key 北美编辑

随着越来越多的电子器件、电机和执行器添加到内燃机 (ICE) 车辆中,传统的基于铅酸蓄电池(由交流发电机充电)的闭路 12 V 汽车电气系统渐渐显现出其局限性。例如,当使用 12 V 系统时,电动转向等大功率应用会消耗很大的电流,因此需要更笨重的线束。在新款的汽车中,这种额外的重量影响很大,因为这些汽车的布线可能长达几千米。

一种替代方法是对高耗电应用使用更高电压的系统,以降低电流消耗并减轻线束重量。商业实现采用传统 12 V 网络,并辅以基于锂离子 (Li-ion) 电池的 48 V 系统。12 V 系统用于发动机管理、照明、座椅和车门调节等应用,而 48 V 系统则可满足电动转向、起动和 HVAC 等功能的重负载需求。

这些混合动力汽车电气系统带来了更高的复杂性,同时也带来了新的设计挑战。在这些挑战中,关键是对两个电池电路同时充放电的管理,包括电池之间的双向降压和升压。

本文介绍了 12/48 V 双电压汽车电气系统的发展,并说明了新系统的优点。然后,本文探讨了如何使用 Linear TechnologyTexas Instruments 的 12/48 V 双向稳压器来降低双电压系统的设计复杂性。此外,本文还分析了未来单 48 V 去中心化汽车拓扑的优势,并介绍了 Vicor 推出的适用于此类系统的总线转换器。

向 12/48 V 设计过渡的挑战

很大程度上,向 12/48 V 系统的过渡受到推崇是由于需要驱动高功耗设备,同时确保车辆仍然符合严格的经济和排放规定。例如,像转向或增压器之类的功能由机械驱动转为电驱动,可大幅降低摩擦损失,提升燃油经济性。根据一些汽车制造商的说法,48 V 电气系统可使燃油经济性提高 10% 至 15%,同时相应减少有害气体的排放。由于未来几年仍将有大量的传统 12 V 设备安装在汽车中,因此仍然需要保留系统的 12 V 供电侧。

12/48 V 配置包含两个独立的分支:传统 12 V 总线使用传统的铅酸电池,支持传统负载,而 48 V 系统则由锂离子电池供电,支持较重的负载。虽然需要两个独立的充电电路以适应两种电池的电化学性质,但必须有一种机制可以让电荷在它们之间移动,而不会损坏任一电池或它们所供电的任何系统。此外,还需要一种机制为过载条件下的负电源轨提供额外的动力。

新提出的汽车标准 LV 148 中,描述了 48 V 总线与现有 12 V 汽车系统的组合方式。48 V 系统包含一台集成式起动发电机 (ISG) 或皮带式起动发电机以及锂离子电池。该系统能够输出数十千瓦 (kW),目标针对传统汽车以及混合动力和轻混汽车。

设计 12/48 V 系统具有挑战性,因为它需要谨慎管理车辆 48 V 电源轨与 12 V 电源轨之间的电力传输。一种方案是使用降压转换器进行降压,而相反方向的电力传输则可以使用升压转换器。但设计采用独立的 DC-DC 转换器会占用宝贵的电路板空间,并增加系统成本和复杂性。

另一种方案是在 12 V 和 48 V 电池之间使用单个双向降压/升压 DC-DC 转换器。这种转换器可用于为电池充电,也允许电池为汽车的各种电气负载提供电流(图 1)。

双向电源示意图图 1:双向电源可用于管理汽车电气系统的 12 V 和 48 V 电路之间的电力传输。(图片来源:Texas Instruments)

双向电流控制器

用于 12/48 V 系统的电源管理组件设计需满足 LV 148 标准。尤其,这对芯片的过压提出了较高要求。该标准允许 48 V 电源轨的最大电压最高可升至 70 V 并至少持续 40 ms,并允许系统在此类过电压事件期间保持正常工作而不会造成任何性能损失。对于半导体供应商来说,这意味着连接到汽车 48 V 电源轨的所有设备都必须能够承受 70 V 的输入电压(加上安全裕量,使总体要求达到 100 V)。

Linear Technology 的 LT8228 是设计符合 LV 148 规格要求的双向电源示例,它是一款带有独立补偿网络的 100 V 双向恒流或恒压同步降压或升压控制器(请参阅 Digi-Key 技术文章《DC-DC 开关稳压器中用于 PWM 信号发生的电压和电流模式控制》)。

该控制器接受两个输入:V1,由锂离子电池提供的 24 至 54 V 电源;以及 V2,由铅酸电池提供的 14 V 输入(图 2)。在升压模式下,输出为 10 A、48 V,降压模式下为 40 A、14 V。该芯片的输入和输出端均可承受 100 V 的电压。操作模式可由微控制器通过 DRXN 引脚从外部控制,也可自动选择。

Linear Technology 的 LT8228 双向电源示意图图 2:Linear Technology 的 LT8228 双向电源可提供升压或降压,最大承受 100 V 电压,符合 LV 148 规格要求。(图片来源:Linear Technology)

输入和输出 MOSFET 可以防止负电压,控制浪涌电流并在故障条件下(例如开关 MOSFET 短路)在端子之间提供隔离。在降压模式下,V1(24 V 至 54 V 输入)端子上的保护 MOSFET 可防止反向电流。在升压模式下,这些 MOSFET 可调节输出浪涌电流,并通过可调定时断路器来保护自身。内部和外部故障诊断和报告可通过专用的引脚获得。

Texas Instruments (TI) 也提供了一款符合 LV 148 的高性能、双通道双向电流控制器 LM5170。该器件可管理高压端口(HV 端口)(连接到 48 V 锂离子电池)与低压端口(LV 端口)(连接到 12 V 铅酸电池)之间的电流传输。使用独立使能信号可激活双向控制器的各个通道。

双通道差分电流感测传感器和专用通道电流监测仪实现了 1% 的典型精度。可靠的 5 A 半桥栅极驱动器能够控制每通道功率不低于 500 W 的并联 MOSFET 开关。该控制器可以工作在断续模式下,以在轻负载条件下实现更高的能效(请参阅 Digi-Key 技术文章《开关稳压器连续模式和断续模式之差异及其重要性》),并防止负电流。保护功能包括逐周期峰值限流、48 V 和 12 V 电池电源轨的过压保护、MOSFET 开关故障检测和保护,以及过热保护。

LM5170 采用平均电流模式控制,消除了升压工作模式中的右半平面零点,并在任意工作电压和负载水平下保持恒定的回路增益,从而简化了补偿。

Linear Technology 和 TI 双向电流控制器包含的功能使得双 12/48 V 汽车电子器件的电源管理电路设计更为简单。例如,无论是从一个电池升压,还是从另一个电池降压,都可以使用相同的外部电源组件,因此节省了空间和成本,降低了电路复杂性。但是,选择这些外部元器件时必须小心谨慎。

应用电路设计

在使用 LT8228(以及 TI 器件)时,外部元器件的选择通常以能够实现良好的开关稳压器设计为准。例如,从优化能效、物理尺寸和成本角度,可按照开关频率 (fSW) 和电感值 (L) 选择。同样,从电感器峰值限流、能效和电流检测精度角度,可按照电感电流检测电阻 RSNS2 及其输入增益电阻 RIN2 来选择(图 3)。

Linear Technology 的 LT8228 框图(点击放大)图 3:Linear Technology LT8228 的框图展示了典型应用所需的外部元器件(图片来源:Linear Technology)

选择电容器 CDM2 来限制降压输入和升压输出的纹波电压;同样,选择电容器 CDM4 来限制升压输入和降压输出的纹波电压。V1D 引脚处的电容器 CDM1 用于通过旁路滤除噪声。按照设计等效串联电阻 (ESR) 值来选择阻尼电容器 CV1 和 CV2,可减少由于分别连接到 V1 和 V2 的串联导线电感而引起的谐振。

选择降压和升压调节回路补偿来优化带宽和稳定性。有关使用开关稳压器和控制器进行设计的更多信息,请参阅 Digi-Key 技术文章:《选择高频开关稳压器时的设计取舍》、《了解开关稳压器控制回路响应》和《使用低 EMI 开关稳压器优化高效率电源设计》。

按照良好设计原则为开关稳压器设计选择好元器件之后,还需要选择一些元器件以满足双向 12/48 V 汽车应用的特殊要求。

例如,LT8228 的降压输出限流、升压输入限流和 V2 电流监测器分别通过电阻器 RSET2P、RSET2N 和 RMON2 来设置。接下来,选择 V1 电流检测电阻器 RSNS1(图中左上角)及其输入增益电阻器 RIN1,以优化能效和电流检测精度。

在降压和升压工作模式下,LT8228 可使用相同的电感器。在降压模式下,电感器电流为 V2 输出电流;在升压模式下,电感器电流为 V2 输入电流。两种模式下的电感器最大电流可以通过公式 1 和 2 来计算:

公式 1 和 2 公式 1 和 2

其中:

ƒ = 开关频率

L = 所选电感值

IV2P(LIM) = 降压模式 V2 输出限流

IV2N(LIM) = 升压模式 V2 输入限流

电感器峰值电流应比降压和升压模式下电感器最大电流中的较大值大至少 20% 到 30%。这样可确保在任何一种工作模式下,最大平均电流调节均不受电感器峰值限流的影响。电感器电流使用 RSNS2 来检测,该电阻器与电感器串联。通常,当 ICSA2 达到 72.5 µA 时,将检测到电感器峰值电流 IL(PEAK)

高 RSNS2(右上角)值可提高电流检测精度,而低 RSNS2 值则可提高能效。因此,设计人员选择 RSNS2 值时应采用的原则是,CSA2 的输入型补偿电压不会影响电流检测精度,同时能够最大限度地减小电感器上的功率损耗。建议电感器峰值电流下 RSNS2 的电压为 50 至 200 mV。

然后,设计人员应根据以下公式选择 RIN2 来设置电感器峰值限流:

公式 3 公式 3

设置了电感器峰值限流后,再分别通过电阻器 RSET1N、RSET1P 和 RMON1 设置升压输出限流、降压输入限流和 V1 电流监测器。选择与 RSET 电阻器并联的电容器,以将限流设置为电流检测电阻器的平均电流。

通过选择连接到 FB1 和 FB2 引脚的电阻分压器,设置 V1D(升压模式下的稳压输出)和 V2D(降压模式下的稳压输出)的稳压和过压阈值。通过选择连接到 UV1 和 UV2 引脚的电阻分压器,设置 V1 和 V2 的欠压阈值。

另外,LT8228 的外部电路还需要六个功率 MOSFET(图 4)。这些器件应根据能效和击穿电压考量因素来进行选择。配套的肖特基二极管(D2 和 D3)是可选的,应根据能效考量因素进行选择。

Linear Technology 的 LT8228 需要六个外部 N 沟道 MOSFET 示意图图 4:LT8228 需要六个外部 N 沟道 MOSFET:V1 保护 MOSFET M1A 和 M1B、V2 保护 MOSFET M4A 和 M4B、上开关 MOSFET M2 和下开关 MOSFET M3。(图片来源:Linear Technology)

当 LT8228 以降压模式工作时,MOSFET M2 是主开关,MOSFET M3 是同步开关;V1D(由升压稳压器调节的节点,位于图 3 中 DG1 控制器的左上方)是输入电压,V2D(由降压转换器调节的节点,位于图 3 的右上方,紧靠降压 MOSFET 的左侧)是降压调节的输出电压。在升压模式下,情况相反,M3 充当主开关,M2 充当同步开关,V2D 作为输入电压,V1D 作为输出电压。

在开关关断期间,两个 MOSFET 开关 M2 和 M3 的漏极和源极之间都将承受最大输入电压(加上开关节点上的任何额外瞬时振荡)。因此,在高压应用中选择开关 MOSFET 时,最重要的参数就是击穿电压 (BVDSS)。

此外,设计人员还必须考虑 MOSFET 的功率耗散。功耗过大会影响系统能效,并可能导致 MOSFET 过热和损坏。确定功率耗散的关键参数是导通电阻 (RDS(ON))、输入电压、输出电压、最大输出电流和米勒电容 (CMILLER)。

淘汰 12 V 电池

鉴于 12 V 铅酸电池系统的成熟性和可靠性,意味着它不会很快消失。但汽车制造商已经在为新款汽车研发使用 48 V 为所有设备供电的系统(采用电池提供从 48 V 到 800 V 之间的任意电压)。这种系统采用非隔离式双向转换器,能够处理几千瓦的功率,并为传统 12 V 电气设备和更高电压的装置供电。

此类转换器的一个示例是 Vicor 的 NBM2317S60E1560T0R,这是一款高效的非隔离式转换器,工作于 38 V 至 60 V 的高压侧总线,可提供 9.5 V 至 15 V 的低压侧电压。该器件提供的最大连续输出功率为 800 W,峰值功率高达 1 kW。在降压工作模式下,连续输出电流为 60 A,瞬态电流为 100 A;在升压工作模式下,连续输出电流为 15 A,瞬态电流为 25 A。该器件的功率密度为 274 W/cm3。峰值能效为 97.9%。

该器件的尺寸为 23 x 17 x 7.5 mm,与开关速度较慢的(低于 1 MHz)解决方案相比,占用的空间更小。由于该转换器不需要外部滤波器或大容量电容器,因此所需的外部元器件数量更少。此外,该器件也不需要热插拔或浪涌限流。

一种实现单 48 V 电池供电型 12/48 V 架构的方法是采用集中式拓扑。此拓扑依赖于单个大容量双向转换器。这类系统有几个缺点,包括热管理挑战、缺乏内置冗余,以及低电压 (12 V)/大电流应用所需较长线束的成本和重量。

Vicor 的这款器件旨在通过推行 12/48 V 电气系统的去中心化电气架构来解决这些问题。通过使用多个转换器来建立内部冗余,缩短 12 V 线束长度,从而减轻重量。此外,热管理方面的挑战也会大幅缓解。例如,在集中式系统中,提供 3 kW 功率并以 95% 能效运行的单个转换器将需要耗散 150 W,主要是散热。相比之下,去中心化系统中的每个转换器(包括四个以 95% 能效产生 750 W 功率的器件)将耗散 37.5 W。虽然总损耗保持不变,但每个转换器的温度却会大幅降低(图 5)。

Vicor 的 NBM2317S60E1560T0R 高效 DC-DC 转换器示意图图 5:像 Vicor 的 NBM2317S60E1560T0R 这样的高效 DC-DC 转换器可通过单个 48 V 电池为 12/48 V 汽车电气系统供电。如图所示的去中心化拓扑中,热管理挑战得到缓解,12 V 线束长度较短,从而减轻了重量。(图片来源:Vicor)

Vicor 为其 NBM2317 系列 IC 推出了 NBM2317D60E1560T0R 评估板,让希望尝试设计 12/48 V 系统的设计人员操作更加便利。该评估板预配置为降压拓扑结构,具有 38 V 至 60 V 的输入和单个 13.5 V 的非隔离输出。

总结

随着现代车辆中电气系统的激增,传统 12 V 电气系统逐渐不堪重负。引入 48 V 系统替代方案可为电动转向和增压等系统运行提供更大的功率,同时减轻线束重量,降低成本。

但是,由于汽车中使用的传统 12 V 产品数量众多,短期内切换到单 48 V 系统不切实际。因此,解决方案是同时运行 12 V 和 48 V 系统,每个系统使用独立的电池。

不过,如果每个系统使用单独的 DC-DC 转换器,那么管理这些不同电压系统的功率和充电就会很复杂。双向 DC-DC 转换器(可作为 12 V 和 48 V 系统之间的桥梁)的推出简化了设计、降低了成本,并促进了该方案在低价汽车上的采用。

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