雙向100V/30V兩相同步降壓解決方案

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

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

• 帶式起動發電機或集成式起動發電機 (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內燃汽車。

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

使用更高電壓的總線還具備另外一大優勢，即減小電纜截面積，從而減小電纜尺寸和重量。這一優勢是極其重要的，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，并且帶來更多娛樂。

正如之前所說，自主駕駛車輛是驅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網，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、傳動系統組件都將逐漸從機械驅動轉換為電力驅動。

很多汽車供應商都預測，市場在未來幾年內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 電池系統帶來的益處在目前就能夠體現出來。例如，有些汽車制造商聲稱，采用 48 V 電氣系統的內燃機可將燃油經濟性提升 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，已處于高級開發階段的壓縮機將置于中冷器和進氣系統之間。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 電源網絡，他們將面臨很多重大設計挑戰。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，它們既能實現節能，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升壓和降壓。但 Linear Technology 新近發布的 LTC3871 雙向 DC/DC 控制器打破了常規。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 系統網絡之間提供雙向 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節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 ±1% 輸出電壓調節準確度，以及用于提高效率的 EXTVcc。LTC3871 專門針對 ISO26262 系統的診斷覆蓋率而設計，經驗證符合 AEC-Q100 汽車規范。

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 范圍內工作的高溫汽車系列，以及在 -40°C 至 125°C 范圍內工作的擴展和工業級別系列。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）

集成式起動發電機 (ISG)

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

• 無需起動機 - 常規引擎工作過程中唯一的無源元件

• 無需曲軸和交流發電機之間的皮帶和皮帶盤耦合

• 在負載突降過程中，可實現發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電機中的電刷和滑環

ISG 具有三個重要功能，即動力輔助、發電、啟停功能。ISG 能夠通過再生制動產生電能，從而幫助汽車減速。通過再生制動產生的電能將為 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 可以產生電能，這與傳統交流發電機相似。最后，ISG 可在停車時讓內燃機關閉以節省燃油，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”。在此系統中，ISG 有助于在引擎起動時實現更平穩的轉換。

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 調節，另一個用于 VLOW 調節），可對降壓和升壓模式的回路補償進行獨立微調，從而優化瞬態響應。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，將使整個系統的頻率和相位保持一致。最多可實現 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，FAULT 引腳在 125 μs 之后置于低電平。發生這種情況時，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 汽車系統提升到全新性能水平，并且優化控制，實現簡化。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，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。