數字電源管理在汽車中的應用

汽車行業的終極目標是普及純電動汽車，這樣只需一組電池即可實現包括牽引在內的所有板上功能，而我們距離這個目標還非常遙遠。電池的儲能密度（單位：千瓦時/千克）仍然不足以支持汽車正常的日常使用，電池續航能力還很有限而且成本過高。

然而，近十年來不斷飆升的燃油成本和降低汽車尾氣排放量的環保要求推動了啟/停系統在所有新車中的應用，以及市面上首個油電混合動力汽車系列的推出。標準內燃機汽車和全EV（電動汽車）之間的折中解決方案就是該行業下一階段技術升級的重點。啟/停功能現已被世界某些地區（以歐洲為主）的很多汽車制造商廣泛采用，下一步就是推出兩種引擎（內燃機和電動機）共存的油電混合動力汽車。

如今有多個HEV種類及其充當EV的等級。汽車內主要應用轉向48V電池的新趨勢向汽車制造商提出了新挑戰，48V電源線上12V設備的兼容性和用于管理48V與12V電池間能量流的中/大功率DC/DC雙向轉換器。該轉換器必須在300W至3kW-SkW的功率水平下處理雙向能量流，而這是無法用簡單的單相拓撲進行管理的，因此汽車制造商面臨全新挑戰，即開發采用多相配置的大功率升/降壓轉換器。

首先引入了“微油電混合動力汽車（μHEV）”這個概念，于是48V電網理念隨之而來。uHEv的理念就是利用48V鋰離子電池儲存再生制動產生的能量，后者將汽車的動能轉變成電能來為電池充電，然后用它為同一條48V線路上的所有設備供電或者向下變為12V線路，最終提高了汽車效率和燃油續航力。

uHEv的上一個智能版本最近被稱為i-μHEv，區別在于ICE（內燃機）關閉時利用48V電動機實現汽車的短程運動或維持巡航速度。當汽車行駛在擁擠的城市街道或者平坦的機動車道（這是電動機最常見的使用環境）上時，這極大地降低了油耗。

中壓DC/DC轉換器

由于板上有2組電池，所以就不可避免地存在著需要均衡能量和將能量從一組電池轉移到另一組上的情況。實現這種功能的關鍵就在于48V-12V DC/DC轉換器：所有仍采用12V電壓的服務，例如某些汽車的汽車收音機、信息娛樂、泵、制動器和EPS，使用這種必須利用鋰電池不斷為其充電的電池。根據被轉移到12V網絡上的服務數量的不同，可能需要在幾百瓦至1.5kW或更高的功率水平下進行降壓操作。

另一方面，我們可能需要在升壓模式下將某些能量從12V電池轉回到48V網絡上，以便在緊急情況下實現最小供電。

上一種情況仍不明朗，也未在不同制造商之間實現標準化。這種反向能量在某些情況下要求達到幾百瓦，而在其它情況下則要求達到與主降壓轉換器相同的功率水平，有時只需要有限的時間，而有時則只要12V電池能夠繼續工作就沒有時間限制。

主能量流操作可以高達幾千瓦。因此無法利用簡單的轉換器解決方案進行管理，對此我們已經達成了廣泛共識。

市場上確實存在著面向這種大功率轉換模塊的解決方案，并且大約10年前就已經開發出來了。盡管環境和電壓水平不同。

在2kW的功率下，電流輸出約為160A，可以利用單相解決方案實現，如圖1所示，這樣控制器就更簡單，但是需要許多驅動器來控制并聯的多個FET，開關頻率通常較低并且被開關損耗限制在100kHz-200kHz的范圍內，這就意味著輸入和輸出電容的尺寸非常大。

大電流輸出可能需要為每個開關并聯更多FET。

多相解決方案就好得多，如圖2所示，每個開關都與1個隔離電感濾波器相連，然后連至同一個輸出電容。這時，我們就不用并聯FET來增加電流輸出了，而要規定相位數量和相位。例如每組由2個FET和1個電感構成。

各個相位均與其電感相連，并且具有不同的相序。

與單相法相比，這種替代性智能拓撲具有一定優勢，如表1所示。

汽車用48V-12V Dc/DC轉換器當然要選擇這種拓撲，需要注意的是這種拓撲仍然允許使用相同的、面向雙向應用的電源元件，只需要將降壓方向的48V->12V轉換反方向驅動成升壓就可以實現12V->48V轉換，不過必須改變FET的開關控制策略。

汽車行業現在必須學會如何利用多年來一直開發面向這類轉換但不適于汽車環境、電壓和功率水平的元件的芯片制造商提供的元件、以最有利和最經濟的方法實現這種解決方案。這正是這些年該市場面臨的真正挑戰。

數字控制器解決方案

事實上，作為計算應用解決方案領域的領導廠商，IR在過去10年里開發了大量多相數字轉換器專用數字器件。這些器件與用于制造數字電源的競爭產品之間的主要區別在于這些器件不是處理器，也不是DSP，因此無需在其內核中運行軟件。IR過去幾年開發的數字器件屬于采用預配置算法的狀態機，可以通過在內部非易失性存儲器中寫入某些參數輕松實現定制。正因如此，無需汽車領域的軟件認證，運行過程中也不會遇到停機狀況。

其中一款數字控制器的數據手冊首頁如圖3所示，像公司開發的其它大多數產品一樣，這款產品迄今為止專門面向計算市場。在計算市場中。多相解決方案在20世紀90年代末（以模擬設計的形式）即已出現，并且在過去4-6年里它已經發展成最終的數字版。典型應用電路如圖4a）所示，幾乎所有這些器件都可以控制2個不同的控制回路的2個不同的輸出電壓，從而能夠根據應用需求靈活分配各個回路的相位數量。在這些器件的所有嵌入式特性中，最重要的特性如圖3所示，還可以添加各種保護特性，例女口OVP、UVP、OCP、OTP、CFP和適于遙測技術的不同系統接口（Izc/SMBus/PMBus），并且還可以通過非易失性存儲器（NVM）模塊實現定制配置。這類器件的管腳如圖4b）所示。

需要注意的是圖4a）中有功率級。這些器件取代了通常由1個驅動器和多個分立FET構成的解決方案，能夠實現各個單相輸出，并且內部電路和典型應用都非常簡單，詳情請參照圖5。

所有這些構建模塊現在均可從IR獲得。IR多年來一直在向服務器制造商供應解決方案，并且解決方案的復雜度和功率密度在過去幾年都得到了大幅提升，6相、180A解決方案的尺寸如圖6所示。

面向汽車應用的數字控制器解決方案及新產品系列

新挑戰在于將所有知識和這些元件性能從計算領域轉移到汽車市場中。IR近來與其用戶合作，以便了解用戶需要什么和面向新興μHEV系列的汽車用DC/DC轉換器最好具備哪些增值特性。

區別立顯：

1）輸入電壓越高（48v而非12V），輸出電壓也越高（12V而非1V）；

2）

（每個相位的）開關頻率可能更低，為100kHz-200kHz而非400kHz-800kHz：

3）輸出電壓無需精確到mV，像計算應用一樣可以選擇，并且精度達到50mV就足夠了；

4）

需要雙向電流，48V=>12V（降壓）或12V=>48V（升壓）操作可以實現：

5）負載瞬變不會太大，因為布線減輕了負載瞬變：目標電流變化預計為100A/ms或更低。

在這些假設的基礎上，我們列出了希望實現的數字Ic功能。面向汽車DC/DC轉換器應用的數字控制器的方框圖如圖7所示。

最后，圖8介紹了如何將這些電源模塊有效地應用到面向微HEV和微iHEV的48V-12VDC/DC能量轉換器之中：這些轉換器的功率預計將在lkW-4脯圍內，這就意味著提議的解決方案無法輕易地以單相轉換器的方式實現，并且很可能必須采用前面討論的雙向、多相降壓-升壓拓撲。