芯耀
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在前不久結(jié)束的第26屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)上，沃爾沃、福特、通用、奔馳、比亞迪和捷豹路虎6家全球汽車巨頭簽署承諾：到2040年在全球范圍內(nèi)逐步停止燃油車生產(chǎn)。事實(shí)上，近年來隨著環(huán)保意識(shí)的逐漸覺醒以及各國(guó)排放法規(guī)趨嚴(yán)，汽車行業(yè)節(jié)能減排已經(jīng)成為一種共識(shí)，越來越多車企開始擁抱“電動(dòng)化”浪潮。而汽車CO2排放標(biāo)準(zhǔn)和燃油經(jīng)濟(jì)性要求的提升，正在推動(dòng)48V輕混系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用。
通過將汽車12V系統(tǒng)向48V演進(jìn)，支持混合動(dòng)力以及輔助啟停等功能從而形成多種化產(chǎn)品，可得到更高的效率以減少CO2排放量同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)成本，因此48V輕混系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)階段車企的主流節(jié)能技術(shù)路線。IHS Markit報(bào)告顯示，2020-2025年48V輕混系統(tǒng)在中國(guó)市場(chǎng)將實(shí)現(xiàn)85%的年均增長(zhǎng)率。本文以亞德諾半導(dǎo)體（ADI）公司的LTC3871/LT8708為例，探討“電動(dòng)化”浪潮下汽車48V系統(tǒng)的核心器件電壓控制器。
48V輕混系統(tǒng)正當(dāng)時(shí)，如何選擇電壓控制器？
近年來隨著汽車電子設(shè)備越來越多以及自動(dòng)啟停系統(tǒng)的加入，12V蓄電池組的供電能力愈發(fā)捉襟見肘，于是供電能力更強(qiáng)的48V蓄電池應(yīng)運(yùn)而生。從硬件上來看，48V輕混系統(tǒng)由電機(jī)、動(dòng)力電池組以及電壓控制器（DC-DC轉(zhuǎn)換器）組成。由于48V電池電壓輸出的升高，降低了線路損耗，同時(shí)電壓的升高也可以有效改善起停電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、冷卻水泵等系統(tǒng)的工作時(shí)間，讓發(fā)動(dòng)機(jī)在停車狀態(tài)最大限度不參與工作。此外，48V的電壓更能滿足鋰電池快速實(shí)現(xiàn)能量回收的要求，降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)了降油耗和排放的作用。
作為核心部件之一，電壓控制器（DC-DC轉(zhuǎn)換器）的選擇至關(guān)重要。LTC3871是一款耐壓分別為100V/30V的雙向兩相同步降壓或升壓型控制器，其在12V和48V汽車電池之間提供了雙向DC/DC控制和電池充電。該器件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(jiǎn)化電路帶給了48V/12V雙電池DC/DC汽車系統(tǒng)。同時(shí)，LTC3871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(duì)多達(dá)12相實(shí)施并聯(lián)以滿足高電流大功率（3KW-10KW）應(yīng)用的需要。
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LTC3871 雙向原理圖
當(dāng)起動(dòng)汽車或需要額外的功率時(shí)，LTC3871通過把能量從一個(gè)電路板網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換至另一個(gè)電路板網(wǎng)絡(luò)而允許兩個(gè)電池同時(shí)提供電能?？蓪?shí)現(xiàn)高達(dá)97%的效率，而且片內(nèi)電流設(shè)置環(huán)路負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)可在任一方向上輸送至負(fù)載的最大電流。48V電池將在提高可用能量上發(fā)揮核心作用，同時(shí)還可減少線束重量和損耗。這種額外的能量為采用新技術(shù)鋪平了道路，從而可使汽車的安全性和效率得以提升，同時(shí)降低了其CO2排放量。
值得一提的是，LTC3871采用耐熱性能增強(qiáng)型48引腳LQFP封裝，擁有三種溫度級(jí)版本。其擴(kuò)展和工業(yè)溫度級(jí)版本可在–40°C至125°C溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，高溫汽車級(jí)版本則工作在–40°C至150°C溫度范圍。
此外，針對(duì)自動(dòng)駕駛汽車冗余電池系統(tǒng)應(yīng)用，ADI最新推出了效率高達(dá)98%的雙向降壓-升壓型開關(guān)穩(wěn)壓控制器LT8708/-1。利用一個(gè)輸入電壓供電運(yùn)行，該輸入電壓可以高于、低于或等于輸出電壓，十分適合兩個(gè)各為12V、24V或48V的電池以及48V/12V和48V/24V雙電池系統(tǒng)。該器件采用單個(gè)電感器在2.8V至80V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，并能產(chǎn)生1.3V至80V的輸出電壓，提供高達(dá)kW級(jí)的功率，簡(jiǎn)化了需要在正向或反向調(diào)節(jié)VOUT、VIN和/或IOUT、IIN的電池/電容器備份系統(tǒng)中的雙向電源轉(zhuǎn)換。
提高48V系統(tǒng)電源效率，這個(gè)小器件不容忽視
對(duì)于同時(shí)需要在12V及48V雙系統(tǒng)下工作的車身控制電路來說，可能在某些時(shí)候需要二極管來實(shí)現(xiàn)防反或合路備份供電功能，雖然電流無需達(dá)到電機(jī)那么大，但是二極管上產(chǎn)生的損耗帶來的熱量不可忽視。對(duì)于那些需要理想二極管“或” (Diode-ORing) 功能以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均分或在兩個(gè)輸入電源之間自動(dòng)切換的應(yīng)用而言，單片雙通道4A電源通路 (PowerPath) 理想二極管LTC4415是理想的選擇。
LTC4415為減少熱量、壓降和占用的電路板空間而設(shè)計(jì)，同時(shí)可在電源切換電路中延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。具體而言，該器件的超低15mV正向電壓顯著低于肖特基二極管的正向電壓，因此可延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間并擴(kuò)大工作電壓范圍，同時(shí)確保在電源切換時(shí)無振蕩，而很低的50mΩ導(dǎo)通電阻則可降低功耗并減少熱量。
同時(shí)，LTC4415每個(gè)理想二極管的最大正向電流為4A，消耗不到45uA靜態(tài)電流，同時(shí)其可調(diào)性可滿足系統(tǒng)靈活性需求。此外，該IC采用具精準(zhǔn)門限的互補(bǔ)輸入EN1和/EN2對(duì)兩個(gè)理想二極管進(jìn)行獨(dú)立使能，并能任意確定其優(yōu)先級(jí)排序。如果任何一個(gè)輸出電壓超過其各自的輸入電壓，那么該理想二極管就關(guān)斷，且開漏狀態(tài)引腳指示這種傳導(dǎo)狀態(tài)。
結(jié)語
搭載高性能雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器有助于48V輕混系統(tǒng)以更低成本實(shí)現(xiàn)大幅提高節(jié)能效率、減少二氧化碳排放的目標(biāo)，滿足各國(guó)日趨嚴(yán)苛的節(jié)能減排政策要求。目前，隨著豪華品牌BBA以及長(zhǎng)城、吉利等自主品牌的紛紛跟進(jìn)和應(yīng)用，在全面邁入電氣化時(shí)代前，48V技術(shù)無疑給看似已經(jīng)“到頂”的燃油車技術(shù)提供了更大的可能性，成為對(duì)接傳統(tǒng)汽車和新能源汽車之間的橋梁。
