隨著自主駕駛車輛和汽車連接技術的進步，以及燃料經(jīng)濟性法規(guī)的日趨收緊，傳統(tǒng) 12 伏特汽車電氣系統(tǒng)已經(jīng)達到了使用極限。除此之外，連接到汽車電氣系統(tǒng)的應用也在持續(xù)增加，從而產(chǎn)生了更高的電力需求，這也帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，傳統(tǒng)的 3 kW、12 V 汽車電源系統(tǒng)必須得到補充。

在新近提出的 LV148 汽車標準中，人們將 48 V 二級總線與現(xiàn)有的 12 V 系統(tǒng)相結合。48 V 電源軌中包含的一些組件有：

• 帶式起動發(fā)電機或集成式起動發(fā)電機 (ISG)

• 48 V 鋰離子電池

• 雙向 DC/DC 轉換器，可通過 48 V 和 12 V 組合式電池提供高達 10 kW 的電能

隨著汽車制造商竭力滿足要求日益嚴苛的 CO2 排放目標，此項技術專門瞄準混合動力電動車和傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車。

一般來說，12 V 總線的角色仍然是為照明、信息娛樂、音響和點火等系統(tǒng)供電。48 V 總線將為可調(diào)懸架系統(tǒng)、電動渦輪/超級增壓器、空調(diào)壓縮機、主動底盤、再生制動等其他系統(tǒng)供電。48 V 總線還將能夠支持引擎起動，使得啟停操作更加平穩(wěn)，預計很快將在量產(chǎn)車型上投入使用。

使用更高電壓的總線還具備另外一大優(yōu)勢，即減小電纜截面積，從而減小電纜尺寸和重量。這一優(yōu)勢是極其重要的，因為當今高端汽車中的布線長度可能超過 4 公里。

汽車變得越來越像車輪上的計算機。這為連接很多即插即用式設備創(chuàng)造了可能性。通勤者平均每天有 9% 的時間在汽車里度過，因此將遠程信息處理和多媒體引入汽車，可以提高工作效率，并且?guī)砀鄪蕵贰?/p>

正如之前所說，自主駕駛車輛是驅(qū)動電能需求增長的主要動力之一，因為雷達、LiDAR、傳感器、攝像頭和計算機等組件都需要供電。另外，改進汽車連接技術也需要更多電能。汽車不僅必須能連接到互聯(lián)網(wǎng)，還要連接到交通信號燈、其他汽車、建筑物以及其他結構。此外，油泵和水泵、動力轉向系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)組件都將逐漸從機械驅(qū)動轉換為電力驅(qū)動。

很多汽車供應商都預測，市場在未來幾年內(nèi)對自主駕駛車輛所需的技術構件的需求將非常旺盛。但是，48 V 電池系統(tǒng)帶來的益處在目前就能夠體現(xiàn)出來。例如，有些汽車制造商聲稱，采用 48 V 電氣系統(tǒng)的內(nèi)燃機可將燃油經(jīng)濟性提升 10% 至 15%。這樣還可以相應地減少 CO2 排放量。

此外，未來在采用 48 V/12 V 雙系統(tǒng)的汽車中，工程師將能夠集成電力壓力器技術。這種技術能夠獨立于引擎負載而工作，從而幫助改善加速性能。例如，已處于高級開發(fā)階段的壓縮機將置于中冷器和進氣系統(tǒng)之間。壓縮機將采用 48 V 電源來啟動渦輪。

然而，對于這個領域的供應商而言，由于汽車增加了額外的 48 V 電源網(wǎng)絡，他們將面臨很多重大設計挑戰(zhàn)。舉一個具體的例子，半導體和電子控制單元 (ECU) 的供應商必須重新設計自己的產(chǎn)品，使其能夠在更高的 48 V 總線電源電壓下工作。此外，DC/DC 轉換器的供應商必須開發(fā)專用 IC，以處理更高功率的電能傳輸。為了滿足這種需求，Linear Technology 開發(fā)的一系列 DC/DC 轉換器能夠高效地處理更高的電能傳輸，它們既能實現(xiàn)節(jié)能，又能最大程度地減少所需的熱設計。

隨著 12 V/48 V 雙電池汽車系統(tǒng)即將投入使用，市場對雙向降壓和升壓 DC/DC 轉換器的需求非常明顯。利用這種 DC/DC 轉換器，我們可為任一電池充電，并在需要時向同一個負載供應電流。很多早期的 48 V/12 V 雙電池 DC/DC 轉換器設計采用單獨的功率元件來實現(xiàn)升壓和降壓。但 Linear Technology 新近發(fā)布的 LTC3871 雙向 DC/DC 控制器打破了常規(guī)。該控制器采用相同的外部功率元件來進行降壓及升壓轉換。

一體化雙向 IC 解決方案

LTC3871 是一款雙向 100 V/30 V 兩相同步降壓或升壓控制器。它能夠在 12 V 和 48 V 系統(tǒng)網(wǎng)絡之間提供雙向 DC/DC 控制和電池充電。它可在升壓模式（從 12 V 總線至 48 V 總線）和降壓模式（從 48 V 總線至 12 V 總線）下工作。施加的控制信號可按需配置任意一種模式。對于高電流應用（最高達 250 A），由于最多 12 個相位可以并聯(lián)和異相定時，因而可以最大程度地減少輸入和輸出濾波要求。該器件的高級電流模式架構在并聯(lián)相位之間提供了出色的電流匹配。12 相設計可在降壓模式或升壓模式下提供最高 5 kW 的功率。

當需要更多電能時，例如要起動引擎，LTC3871 允許兩個電池同時提供電能。使用該器件可達到最高 97% 的效率。片上電流編程回路可調(diào)節(jié)輸送至負載的最大電流。該器件共有 4 個控制回路，其中 2 個用于電壓，2 個用于電流，可在 12 V 或 48 V 總線上實現(xiàn)電壓和電流控制。

LTC3871 在介于 60 kHz 和 475 kHz 之間的用戶可選固定頻率下工作，并能同步到頻率位于相同范圍內(nèi)的外部時鐘。此外，用戶還可選擇輕負載工作，使用脈沖跳頻或連續(xù)工作模式。該器件的其他特性包括：欠壓和過壓閉鎖、針對降壓和升壓模式的獨立回路補償、過載和短路保護、整個溫度范圍內(nèi) ±1% 輸出電壓調(diào)節(jié)準確度，以及用于提高效率的 EXTVcc。LTC3871 專門針對 ISO26262 系統(tǒng)的診斷覆蓋率而設計，經(jīng)驗證符合 AEC-Q100 汽車規(guī)范。

LTC3871 采用熱增強型 48 引腳 LQFP 封裝，分為三個溫度級版本。這些溫度級包括在 -40°C 至 150°C 范圍內(nèi)工作的高溫汽車系列，以及在 -40°C 至 125°C 范圍內(nèi)工作的擴展和工業(yè)級別系列。圖 1 顯示了該器件的典型應用示意圖。示意圖頂部的 P 溝道 MOSFET 用于提供短路和過流保護。

圖 1：典型 LTC3871 雙向應用示意圖顯示了從 26 V 至 58 V 輸入產(chǎn)生的 12 V 輸出，能夠提供 30 A 電流。（圖片來源：Linear Technology）

集成式起動發(fā)電機 (ISG)

汽車中的起動機和交流發(fā)電機都能被電子控制式 ISG 取代。這樣可以帶來以下優(yōu)勢：

• 無需起動機 - 常規(guī)引擎工作過程中唯一的無源元件

• 無需曲軸和交流發(fā)電機之間的皮帶和皮帶盤耦合

• 在負載突降過程中，可實現(xiàn)發(fā)電機電壓的快速控制

• 無需當前使用的某些繞線轉子交流發(fā)電機中的電刷和滑環(huán)

ISG 具有三個重要功能，即動力輔助、發(fā)電、啟停功能。ISG 能夠通過再生制動產(chǎn)生電能，從而幫助汽車減速。通過再生制動產(chǎn)生的電能將為 48 V 電池充電，從而降低燃油消耗，進而減少 CO2 排放。此外，當引擎運行時，ISG 可以產(chǎn)生電能，這與傳統(tǒng)交流發(fā)電機相似。最后，ISG 可在停車時讓內(nèi)燃機關閉以節(jié)省燃油，而在踩壓油門踏板時可瞬時重新起動引擎。此過程所涉及的即一般所稱的“啟停系統(tǒng)”。在此系統(tǒng)中，ISG 有助于在引擎起動時實現(xiàn)更平穩(wěn)的轉換。

圖 2 所示的框圖顯示了 LTC3871、ISG 以及 12 V 和 48 V 電池如何整合到典型內(nèi)燃機汽車中。

圖 2：LTC3871 典型汽車應用框圖。（圖片來源：Linear Technology）

降壓和升壓模式

一個簡單的控制信號即可動態(tài)無縫地將 LTC3871 從降壓模式切換為升壓模式，反之亦然。借助兩個單獨的誤差放大器（一個用于 VHIGH 調(diào)節(jié)，另一個用于 VLOW 調(diào)節(jié)），可對降壓和升壓模式的回路補償進行獨立微調(diào)，從而優(yōu)化瞬態(tài)響應。在降壓模式下時，對應的誤差放大器 ITHLOW 啟用，它將控制峰值電感器電流。相反，在升壓模式下時，ITHHIGH 啟用，ITHLOW 被禁用。在從升壓至降壓或從降壓至升壓的模式轉換過程中，內(nèi)部軟啟動被復位，ITH 引腳將置于零電流水平，以確保向新模式的平滑轉換。

多相供電

可對多個 LTC3871 進行菊花鏈連接，并實現(xiàn)異相運行，以便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。將一個 LTC3871 的 SYNC 引腳連接到另一個 LTC3871 的 CLKOUT 引腳，可讓第二個器件同步到第一個器件。將 CLKOUT 信號連接至下一個 LTC3871 級的 SYNC 引腳，將使整個系統(tǒng)的頻率和相位保持一致。最多可實現(xiàn) 12 個相位的菊花鏈連接，相互之間同時異相運行。

LTC3871 的演示板 DC2348A 可配置為二相或四相，使用一個或兩個 LTC3871。圖 3 顯示了四相版本。在降壓模式下工作時，該演示電路具有 30 V 至 75 V 的輸入電壓范圍，產(chǎn)生 12 V 的輸出，提供最高 60 A 的電流。當該演示電路在升壓模式下工作時，具有 10 V 至 13 V 的輸入電壓范圍，產(chǎn)生 48 V 的輸出，提供最高 10 A 的電流。

圖 3：LTC3871 四相演示板。（圖片來源：Linear Technology）

圖 4 是采用兩個 LTC3871 器件的四相演示板的典型效率曲線。降壓模式曲線顯示演示板從 48 V 降壓至 12 V（最高 60 A 的電流）的效率，而升壓曲線則顯示演示板從 12 V 升壓至 48 V（最高 10A 的電流）的效率。我們可以注意到，兩條曲線的峰值效率均為 97%。

圖 4：LTC3871 的降壓和升壓效率曲線（采用四相設計）（圖片來源：Linear Technology）

過流保護

在降壓模式下時，LTC3871 提供電流折返保護，在過流情況下或當 VLOW 接地時，該功能可以限制功率耗散。電流折返保護在軟啟動條件下自動啟用。如果 VLOW 降低至標稱輸出電平的 85% 以下，則最大檢測電壓從最大設定值逐漸降低至原來的三分之一。在短路情況下，LTC3871 將以非常低的占空比開始周期跳步，以限制短路電流。

在典型的升壓控制器中，同步二極管或同步 MOSFET 的體二極管會將電流從輸入端傳導至輸出端。因此，如果沒有采用阻流二極管或 MOSFET 來阻隔電流，則輸出 (VHIGH) 短路將下拉輸入 (VLOW)。當 VHIGH 短路至接地時，LTC3871 使用外部低 RDS(ON) P 溝道 MOSFET 來提供輸入短路保護。P 溝道 MOSFET 始終保持正常工作，其柵源電壓被箝位至 15 V 最大值。當 UVHIGH 引腳電壓降低至 1.2 V 閾值以下時，F(xiàn)AULT 引腳在 125 μs 之后置于低電平。發(fā)生這種情況時，PGATE 引腳會關閉外部 P 溝道 MOSFET。

總結

通過 LTC3871，我們可將相同的外部功率元件同時用于升壓和降壓用途，從而將 48 V/12 V 雙電池 DC/DC 汽車系統(tǒng)提升到全新性能水平，并且優(yōu)化控制，實現(xiàn)簡化。該器件可自動在降壓模式（從 48 V 降低至 12 V）或升壓模式（從 12 V 升高至 48 V）之間切換。對于更高功率的應用，例如引擎啟動，可將最多 12 個相位并聯(lián)，LTC3871 允許兩個電池同時為同一個負載提供電能。新增的 48 V 電池將為汽車的一部分電氣系統(tǒng)供電，從而增加可用的電能，減輕線束重量和降低電能損失。這些額外電能可催生出新技術，有利于提升汽車的安全性和效率，并且降低 CO2 排放量。