簡介

　　48 V/12 V電池系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用指日可待。過去幾年,，世界上大多數(shù)主要的汽車制造商都在努力證明其系統(tǒng)的適用性,。目前來看，很明顯這些系統(tǒng)有望在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn),。在實(shí)現(xiàn)無人駕 駛,、真正自動(dòng)駕駛的全自動(dòng)乘用車的漫長而艱苦的過程中，這是一個(gè)必要而關(guān)鍵的一步,。盡管如此,，這并不意味著12 V電池將退出市場；因?yàn)橐寻惭b的車輛中存在太多舊系統(tǒng),，所以不可能 出現(xiàn)這種情況,。也就是說自動(dòng)駕駛汽車將同時(shí)使用12 V電池和48 V電池。

　　圖1. 新一代汽車將采用12 V和48 V電池供電

　　這意味著車輛的內(nèi)部系統(tǒng)將使用 48 V鋰離子(Li-Ion)電池或12 V封閉式鉛酸(SLA)電池,，但不能同時(shí)使用這兩種,。然而，由于這兩種電池各自的化學(xué)性質(zhì),，除了要為其設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的充電電路外,，還必須使用一種機(jī)制，允許電荷在其之間流動(dòng)而不會(huì)對電池或車內(nèi)任何系統(tǒng)造成任何損害,。除此之外,，考慮到其中一種電池在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障的情況，使用兩種電池可提供冗余電源,。

　　雖然這肯定會(huì)使車輛內(nèi)各種電氣子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化,，但也存在一些優(yōu)點(diǎn)。據(jù)一些汽車制造商稱,，基于48 V的電氣系統(tǒng)可使內(nèi)燃機(jī)車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性提高10%至15%,，從而減少二氧化碳排 放。此外,，未來使用48 V/12 V雙系統(tǒng)的車輛將允許工程師集成獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷運(yùn)行的電動(dòng)助推器技術(shù),，從而可提高加速性能。此類電動(dòng)增壓器已處于開發(fā)的高級階段,，并且將位于引氣系統(tǒng)和中冷冷卻器之間,，使用48 V電壓軌使渦輪葉片旋轉(zhuǎn)。

　　全球范圍內(nèi)的燃油經(jīng)濟(jì)法規(guī)越來越嚴(yán)格,，而聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)駕駛功能在新型汽車上日益普及,。因此,，12 V汽車電氣系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了其可用功率的極限。與此同時(shí),，這些變化似乎還不夠,，汽車電 子系統(tǒng)需求也顯著增長。加上相關(guān)的功率需求,，這些變化創(chuàng)造了一系列全新的工程機(jī)遇,。顯然，3 kW功率極限的12 V鉛酸電池汽車系統(tǒng)必須得到補(bǔ)充,。

　　此外,，還存在影響這些系統(tǒng)工作方式的新汽車標(biāo)準(zhǔn)。新提出的汽車標(biāo)準(zhǔn)（稱為LV 148）將二級48 V總線與現(xiàn)有汽車12 V系統(tǒng)合而為一,。48 V電源軌包括一個(gè)集成起動(dòng)發(fā)電機(jī)(ISG)或皮帶起動(dòng)發(fā)電機(jī),、48 V鋰離子電池以及一個(gè)雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，可從48 V和12 V電池提供10 kW級的能量,。該技術(shù)適用于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車,、混合動(dòng)力汽車和輕度混合動(dòng)力汽車，可幫助汽車制造商滿足日益嚴(yán)格的二氧化碳排放目標(biāo),。

　　面向48 V/12 V電池系統(tǒng)的全新電源解決方案

　　此新標(biāo)準(zhǔn)要求12 V總線繼續(xù)為點(diǎn)火,、照明、信息娛樂和音頻系統(tǒng)供電,。而48 V總線將為主動(dòng)底盤系統(tǒng),、空調(diào)壓縮機(jī)、可調(diào)懸架,、 電動(dòng)增壓器/渦輪增壓器供電,，甚至還將支持制動(dòng)能量回收。

　　在車輛中增加一個(gè)48V供電網(wǎng)絡(luò)并非沒有重大影響,。電子控制單元(ECU)將受影響,，且需要將其工作范圍調(diào)至更高電壓,。這就要求DC-DC轉(zhuǎn)換器制造商采用專用的IC,，以實(shí)現(xiàn)這種高功率傳輸。

　　于是,，ADI公司Power by Linear? (PbL)產(chǎn)品部門設(shè)計(jì)開發(fā)了一些DC-DC轉(zhuǎn)換器,，能夠以非常高的效率實(shí)現(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)換，從而在節(jié)能的同時(shí)最大限度地減少了散熱設(shè)計(jì)方面的問題,。

　　顯然,，這需要在12 V和48 V電池之間使用一個(gè)雙向降壓和升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器可用于為其中任何一個(gè)電池充電,，并且可以讓兩個(gè)電池同時(shí)為同一個(gè)負(fù)載供電（如果系統(tǒng)要求）,。 從傳統(tǒng)角度來看,，這些最初的48 V/12 V雙電池DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)采用了不同的功率組件進(jìn)行降壓和升壓。

　　ADI的PbL產(chǎn)品部門最近推出了一款雙向DC-DC控制器LT8228,，它采用與降壓轉(zhuǎn)換相同的外部功率組件進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換,。

　　LT8228（如圖2所示）是一款具有獨(dú)立補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的100 V雙向恒流或恒壓同步降壓或升壓控制器。電源的流動(dòng)方向由LT8228自動(dòng)決定,，或由外部控制,。輸入和輸出保護(hù)MOSFET用于防止出現(xiàn)負(fù)電壓，控制浪涌電流,，并在開關(guān)MOSFET短路等故障條件下在端子之間提供隔離,。在降壓模式下，V1端子的MOSFET保護(hù)可防止出現(xiàn)反向電流,。在升壓模式下,，相同的MOSFET通過一個(gè)可調(diào)整的計(jì)時(shí)器斷路器控制輸出浪涌電流并進(jìn)行自我保護(hù)。

　　圖2. 簡化的雙向電池備用系統(tǒng)配置中的LT8228

　　此外,，LT8228還具有雙向輸入和輸出限流和獨(dú)立電流監(jiān)控功能,。無主、容錯(cuò)均流允許增加或刪除任何并聯(lián)的LT8228,，同時(shí)確保均流精度,。內(nèi)部和外部故障診斷和報(bào)告可通過故障和報(bào)告引腳獲得。LT8228采用38引腳TSSOP封裝,。

　　LT8228是一款具有MOSFET保護(hù)功能的100V雙向峰值電流模式同步控制器,。在降壓模式下，控制器由輸入電壓V1提供降壓輸出電壓V2,；或者在升壓模式下,，由輸入電壓V2提供升壓輸出電壓V1。 輸入和輸出電壓最高可設(shè)置為100 V,。工作模式可通過DRXN引腳由外部控制,，或自動(dòng)選擇。此外,，LT8228可對V1和V2端子提供MOSFET保護(hù),。MOSFET可防止出現(xiàn)負(fù)電壓，在出現(xiàn)內(nèi)部或外部故障 時(shí),，在輸入和輸出端口之間提供隔離保護(hù),，還提供逆流保護(hù)以及浪涌電流控制。在電池備用系統(tǒng)等應(yīng)用中,，雙向功能允許使用高電壓或低電壓電源為電池充電,。當(dāng)電源不可用時(shí)，電池可提供經(jīng)過升壓或降壓處理的電源。

　　為優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng),，LT8228采用兩個(gè)誤差放大器：升壓模式下的EA1和降壓模式下的EA2,，分別帶有獨(dú)立的補(bǔ)償引腳VC1和VC2。當(dāng)在輕載運(yùn)行等條件下檢測到反向電感電流時(shí),，控制器在斷續(xù)導(dǎo)通模式下工作,。LT8228在降壓和升壓模式下使用以下四個(gè)引腳進(jìn)行輸入和輸出限流編程：ISET1P、ISET1N,、ISET2P和ISET2N,。此外，控制器利用IMON1和IMON2引腳提供獨(dú)立的輸入和輸出電流監(jiān)控,。在整個(gè)輸入和輸出電壓范圍（0 V至100 V）內(nèi),，限流編程和監(jiān)控功能均有效。

　　此外,，LT8228可提供無主,、容錯(cuò)輸出均流，可用于多個(gè)并聯(lián)LT8228,，從而實(shí)現(xiàn)更高的負(fù)載電流,，更好的散熱管理和冗余性。每個(gè)LT8228均可調(diào)節(jié)至平均輸出電流,，無需使用主控制器,。當(dāng)禁 用單個(gè)LT8228或在故障條件下，它會(huì)停止向平均總線輸出電流,，從而使均流方案具有容錯(cuò)能力,。

　　其他特性包括：

　　反饋電壓容差：±0.5%（全溫度范圍內(nèi)）

　　雙向可編程電流調(diào)節(jié)與監(jiān)控

　　擴(kuò)展的自測、診斷和故障報(bào)告

　　可編程固定或同步開關(guān)頻率：80 kHz至600 kHz

　　可編程軟啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)限流

　　無主,、容錯(cuò)均流

　　結(jié)論

　　LT8228通過使用相同的外部功率組件進(jìn)行降壓和升壓,，可提高48V/12 V雙電池DC-DC汽車系統(tǒng)的性能、控制功能并簡化設(shè)計(jì),。它可根據(jù)需要在48 V總線至12 V總線降壓模式或12 V至48 V升壓模式下工作,。啟動(dòng)汽車或需要額外電源時(shí)，LT8228允許兩個(gè)電池同時(shí)向同一負(fù)載供電,。功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)人員利用這個(gè)功能多樣的雙向轉(zhuǎn)換器,，可以輕松地配置未來全自動(dòng)駕駛汽車所需的12V和48 V電池系統(tǒng)。

　　作者

　　Tony Armstrong

　　Tony Armstrong是ADI公司Power by Linear產(chǎn)品部的產(chǎn)品營銷總監(jiān),。他負(fù)責(zé)電源轉(zhuǎn)換和管理產(chǎn)品從上市到停產(chǎn)的所有事務(wù),。加入ADI之前，Tony在凌力爾特,、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel擔(dān)任過營銷,、銷售和運(yùn)營方面的不同職位,。他擁有英國曼徹斯特大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)（榮譽(yù)）學(xué)士學(xué)位。Tony于2020年春季退休,。