双向100V/30V两相同步降压解决方案

发表于 2018-09-14 13:55:54 收藏 已收藏
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双向100V/30V两相同步降压解决方案

发表于 2018-09-14 13:55:54

随着自主驾驶车辆和汽车连接技术的进步,以及燃料经济性法规的日趋收紧,传统 12 伏特汽车电气系统已经达到了使用极限。除此之外,连接到汽车电气系统的应用也在持续增加,从而产生了更高的电力需求,这也带来了新的挑战。因此,传统的 3 kW、12 V 汽车电源系统必须得到补充。

在新近提出的 LV148 汽车标准中,人们将 48 V 二级总线与现有的 12 V 系统相结合。48 V 电源轨中包含的一些组件有:

  • 带式起动发电机或集成式起动发电机 (ISG)

  • 48 V 锂离子电池

  • 双向 DC/DC 转换器,可通过 48 V 和 12 V 组合式电池提供高达 10 kW 的电能

随着汽车制造商竭力满足要求日益严苛的 CO2 排放目标,此项技术专门瞄准混合动力电动车和传统内燃汽车。

一般来说,12 V 总线的角色仍然是为照明、信息娱乐、音响和点火等系统供电。48 V 总线将为可调悬架系统、电动涡轮/超级增压器、空调压缩机、主动底盘、再生制动等其他系统供电。48 V 总线还将能够支持引擎起动,使得启停操作更加平稳,预计很快将在量产车型上投入使用。

使用更高电压的总线还具备另外一大优势,即减小电缆截面积,从而减小电缆尺寸和重量。这一优势是极其重要的,因为当今高端汽车中的布线长度可能超过 4 公里。

汽车变得越来越像车轮上的计算机。这为连接很多即插即用式设备创造了可能性。通勤者平均每天有 9% 的时间在汽车里度过,因此将远程信息处理和多媒体引入汽车,可以提高工作效率,并且带来更多娱乐。

正如之前所说,自主驾驶车辆是驱动电能需求增长的主要动力之一,因为雷达、LiDAR、传感器、摄像头和计算机等组件都需要供电。另外,改进汽车连接技术也需要更多电能。汽车不仅必须能连接到互联网,还要连接到交通信号灯、其他汽车、建筑物以及其他结构。此外,油泵和水泵、动力转向系统、传动系统组件都将逐渐从机械驱动转换为电力驱动。

很多汽车供应商都预测,市场在未来几年内对自主驾驶车辆所需的技术构件的需求将非常旺盛。但是,48 V 电池系统带来的益处在目前就能够体现出来。例如,有些汽车制造商声称,采用 48 V 电气系统的内燃机可将燃油经济性提升 10% 至 15%。这样还可以相应地减少 CO2 排放量。

此外,未来在采用 48 V/12 V 双系统的汽车中,工程师将能够集成电力压力器技术。这种技术能够独立于引擎负载而工作,从而帮助改善加速性能。例如,已处于高级开发阶段的压缩机将置于中冷器和进气系统之间。压缩机将采用 48 V 电源来启动涡轮。

然而,对于这个领域的供应商而言,由于汽车增加了额外的 48 V 电源网络,他们将面临很多重大设计挑战。举一个具体的例子,半导体和电子控制单元 (ECU) 的供应商必须重新设计自己的产品,使其能够在更高的 48 V 总线电源电压下工作。此外,DC/DC 转换器的供应商必须开发专用 IC,以处理更高功率的电能传输。为了满足这种需求,Linear Technology 开发的一系列 DC/DC 转换器能够高效地处理更高的电能传输,它们既能实现节能,又能最大程度地减少所需的热设计。

随着 12 V/48 V 双电池汽车系统即将投入使用,市场对双向降压和升压 DC/DC 转换器的需求非常明显。利用这种 DC/DC 转换器,我们可为任一电池充电,并在需要时向同一个负载供应电流。很多早期的 48 V/12 V 双电池 DC/DC 转换器设计采用单独的功率元件来实现升压和降压。但 Linear Technology 新近发布的 LTC3871 双向 DC/DC 控制器打破了常规。该控制器采用相同的外部功率元件来进行降压及升压转换。

一体化双向 IC 解决方案

LTC3871 是一款双向 100 V/30 V 两相同步降压或升压控制器。它能够在 12 V 和 48 V 系统网络之间提供双向 DC/DC 控制和电池充电。它可在升压模式(从 12 V 总线至 48 V 总线)和降压模式(从 48 V 总线至 12 V 总线)下工作。施加的控制信号可按需配置任意一种模式。对于高电流应用(最高达 250 A),由于最多 12 个相位可以并联和异相定时,因而可以最大程度地减少输入和输出滤波要求。该器件的高级电流模式架构在并联相位之间提供了出色的电流匹配。12 相设计可在降压模式或升压模式下提供最高 5 kW 的功率。

当需要更多电能时,例如要起动引擎,LTC3871 允许两个电池同时提供电能。使用该器件可达到最高 97% 的效率。片上电流编程回路可调节输送至负载的最大电流。该器件共有 4 个控制回路,其中 2 个用于电压,2 个用于电流,可在 12 V 或 48 V 总线上实现电压和电流控制。

LTC3871 在介于 60 kHz 和 475 kHz 之间的用户可选固定频率下工作,并能同步到频率位于相同范围内的外部时钟。此外,用户还可选择轻负载工作,使用脉冲跳频或连续工作模式。该器件的其他特性包括:欠压和过压闭锁、针对降压和升压模式的独立回路补偿、过载和短路保护、整个温度范围内 ±1% 输出电压调节准确度,以及用于提高效率的 EXTVcc。LTC3871 专门针对 ISO26262 系统的诊断覆盖率而设计,经验证符合 AEC-Q100 汽车规范。

LTC3871 采用热增强型 48 引脚 LQFP 封装,分为三个温度级版本。这些温度级包括在 -40°C 至 150°C 范围内工作的高温汽车系列,以及在 -40°C 至 125°C 范围内工作的扩展和工业级别系列。图 1 显示了该器件的典型应用示意图。示意图顶部的 P 沟道 MOSFET 用于提供短路和过流保护。

Linear Technology 的 LTC3871 的双向应用示意图

图 1:典型 LTC3871 双向应用示意图显示了从 26 V 至 58 V 输入产生的 12 V 输出,能够提供 30 A 电流。(图片来源:Linear Technology)

集成式起动发电机 (ISG)

汽车中的起动机和交流发电机都能被电子控制式 ISG 取代。这样可以带来以下优势:

  • 无需起动机 - 常规引擎工作过程中唯一的无源元件

  • 无需曲轴和交流发电机之间的皮带和皮带盘耦合

  • 在负载突降过程中,可实现发电机电压的快速控制

  • 无需当前使用的某些绕线转子交流发电机中的电刷和滑环

ISG 具有三个重要功能,即动力辅助、发电、启停功能。ISG 能够通过再生制动产生电能,从而帮助汽车减速。通过再生制动产生的电能将为 48 V 电池充电,从而降低燃油消耗,进而减少 CO2 排放。此外,当引擎运行时,ISG 可以产生电能,这与传统交流发电机相似。最后,ISG 可在停车时让内燃机关闭以节省燃油,而在踩压油门踏板时可瞬时重新起动引擎。此过程所涉及的即一般所称的“启停系统”。在此系统中,ISG 有助于在引擎起动时实现更平稳的转换。

图 2 所示的框图显示了 LTC3871、ISG 以及 12 V 和 48 V 电池如何整合到典型内燃机汽车中。

Linear Technology LTC3871 典型汽车应用框图

图 2:LTC3871 典型汽车应用框图。(图片来源:Linear Technology)

降压和升压模式

一个简单的控制信号即可动态无缝地将 LTC3871 从降压模式切换为升压模式,反之亦然。借助两个单独的误差放大器(一个用于 VHIGH 调节,另一个用于 VLOW 调节),可对降压和升压模式的回路补偿进行独立微调,从而优化瞬态响应。在降压模式下时,对应的误差放大器 ITHLOW 启用,它将控制峰值电感器电流。相反,在升压模式下时,ITHHIGH 启用,ITHLOW 被禁用。在从升压至降压或从降压至升压的模式转换过程中,内部软启动被复位,ITH 引脚将置于零电流水平,以确保向新模式的平滑转换。

多相供电

可对多个 LTC3871 进行菊花链连接,并实现异相运行,以便在不增加输入和输出电压纹波的情况下,提供更大的输出电流。将一个 LTC3871 的 SYNC 引脚连接到另一个 LTC3871 的 CLKOUT 引脚,可让第二个器件同步到第一个器件。将 CLKOUT 信号连接至下一个 LTC3871 级的 SYNC 引脚,将使整个系统的频率和相位保持一致。最多可实现 12 个相位的菊花链连接,相互之间同时异相运行。

LTC3871 的演示板 DC2348A 可配置为二相或四相,使用一个或两个 LTC3871。图 3 显示了四相版本。在降压模式下工作时,该演示电路具有 30 V 至 75 V 的输入电压范围,产生 12 V 的输出,提供最高 60 A 的电流。当该演示电路在升压模式下工作时,具有 10 V 至 13 V 的输入电压范围,产生 48 V 的输出,提供最高 10 A 的电流。

Linear Technology LTC3871 四相演示板的图片

图 3:LTC3871 四相演示板。(图片来源:Linear Technology)

图 4 是采用两个 LTC3871 器件的四相演示板的典型效率曲线。降压模式曲线显示演示板从 48 V 降压至 12 V(最高 60 A 的电流)的效率,而升压曲线则显示演示板从 12 V 升压至 48 V(最高 10A 的电流)的效率。我们可以注意到,两条曲线的峰值效率均为 97%。

Linear Technology LTC3871 的降压和升压效率曲线的图片

图 4:LTC3871 的降压和升压效率曲线(采用四相设计)(图片来源:Linear Technology)

过流保护

在降压模式下时,LTC3871 提供电流折返保护,在过流情况下或当 VLOW 接地时,该功能可以限制功率耗散。电流折返保护在软启动条件下自动启用。如果 VLOW 降低至标称输出电平的 85% 以下,则最大检测电压从最大设定值逐渐降低至原来的三分之一。在短路情况下,LTC3871 将以非常低的占空比开始周期跳步,以限制短路电流。

在典型的升压控制器中,同步二极管或同步 MOSFET 的体二极管会将电流从输入端传导至输出端。因此,如果没有采用阻流二极管或 MOSFET 来阻隔电流,则输出 (VHIGH) 短路将下拉输入 (VLOW)。当 VHIGH 短路至接地时,LTC3871 使用外部低 RDS(ON) P 沟道 MOSFET 来提供输入短路保护。P 沟道 MOSFET 始终保持正常工作,其栅源电压被箝位至 15 V 最大值。当 UVHIGH 引脚电压降低至 1.2 V 阈值以下时,FAULT 引脚在 125 μs 之后置于低电平。发生这种情况时,PGATE 引脚会关闭外部 P 沟道 MOSFET。

总结

通过 LTC3871,我们可将相同的外部功率元件同时用于升压和降压用途,从而将 48 V/12 V 双电池 DC/DC 汽车系统提升到全新性能水平,并且优化控制,实现简化。该器件可自动在降压模式(从 48 V 降低至 12 V)或升压模式(从 12 V 升高至 48 V)之间切换。对于更高功率的应用,例如引擎启动,可将最多 12 个相位并联,LTC3871 允许两个电池同时为同一个负载提供电能。新增的 48 V 电池将为汽车的一部分电气系统供电,从而增加可用的电能,减轻线束重量和降低电能损失。这些额外电能可催生出新技术,有利于提升汽车的安全性和效率,并且降低 CO2 排放量。

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