汽車電源轉(zhuǎn)換面臨的挑戰(zhàn)

目前，汽車工業(yè)客戶對(duì)電子器件的質(zhì)量和可靠性的要求越來越高。隨著汽車電子行業(yè)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)汽車性能最大化，同時(shí)減少保修問題，必須提高汽車電子元器件的質(zhì)量和可靠性。

一直以來，電子元器件的質(zhì)量和可靠性備受重視，但混合動(dòng)力車(HEV/PHEV)和電動(dòng)汽車的發(fā)展對(duì)此提出了新的要求。

原有以汽油為動(dòng)力的汽車采用的電子器件很少，元器件故障雖會(huì)使汽車工作不正常，但一般還能使用。僅以增加發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和燃油經(jīng)濟(jì)性為例，就需要高質(zhì)量、可靠的元器件。因?yàn)榧词挂粋€(gè)元件發(fā)生故障，發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)停止工作。

目前，汽車幾乎完全由電子器件控制，駕駛者面臨可靠性帶來的各種不同風(fēng)險(xiǎn)。一般來說，當(dāng)駕駛者走近汽車、解開被動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，電子系統(tǒng)就開始工作了。打開鑰匙門、按動(dòng)按鈕發(fā)動(dòng)汽車后，大量電源、模擬和微控制器電路開始控制發(fā)動(dòng)機(jī)、變速以及其他幾乎每一種汽車系統(tǒng)。

目前大部分汽車采用GPS為駕駛者導(dǎo)航；自適應(yīng)巡航控制雷達(dá)保持安全車距；防抱死制動(dòng)系統(tǒng)保證駕駛者對(duì)車輛的操控；發(fā)生事故時(shí)打開安全氣囊；在駕駛者不能駕駛的情況下，許多汽車可利用電話呼叫救援(或報(bào)告位置)。這就需要所有電子器件在相對(duì)嚴(yán)苛的工作環(huán)境下具有很高的可靠性。

目前，汽車電控功能所需平均功率為250 W～1 500 W，轎車或卡車助力功能以及車載娛樂和能效系統(tǒng)所需的更高功率的電子系統(tǒng)越來越多，因此標(biāo)準(zhǔn)是十分重要的。由于汽車電池是一種未調(diào)節(jié)的低壓電源，因此需要高壓調(diào)節(jié)DC-DC系統(tǒng)，大部分情況下采用多相升壓結(jié)構(gòu)的升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。

以電動(dòng)汽車為例，這種汽車完全取消了機(jī)械式發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱，代之以電池、電機(jī)和高壓電子系統(tǒng)。雖然有助于提高能效并減少溫室氣體排放，但這是在增加電子電路的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。在預(yù)期使用壽命延長(zhǎng)、電子器件增加的情況下，不斷提高電子元器件的質(zhì)量和可靠性是唯一的解決方案。一定程度上可通過嚴(yán)格遵守保證各種產(chǎn)品線最高質(zhì)量和可靠性的汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。ISO/TS16949是一種推動(dòng)電子器件發(fā)展的最重要標(biāo)準(zhǔn)，并且?guī)缀跻殉蔀槿蝾I(lǐng)先汽車廠商和其零部件供應(yīng)商的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。

以起步停車功能為例，起步/停車系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉和重新起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，可縮短發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)間，從而節(jié)省油耗。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間交通堵塞，需要頻繁起步停車的汽車來說，這是最顯著的優(yōu)點(diǎn)。起動(dòng)期間，電池經(jīng)過一個(gè)稱為電壓起動(dòng)下降的過程，最低達(dá)到6 V，如圖1所示。為保護(hù)電池總線連接的電子器件，必須避免電池—起動(dòng)電壓瞬態(tài)變化對(duì)總線電壓的影響。

解決這個(gè)問題的方法是在電池與電壓總線之間加一個(gè)臨時(shí)調(diào)節(jié)多相升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，用以克服起動(dòng)時(shí)電壓瞬時(shí)下降。圖2所示為起步/停車系統(tǒng)方框圖。這種配置下，當(dāng)電池電壓低于11.5 V閾值時(shí)，多相升壓DC-DC可提升電池電壓，提供穩(wěn)定的總線電壓。當(dāng)瞬態(tài)變化結(jié)束后，電池電壓高于11.5 V極限時(shí)，電子控制單元(ECU)閉合旁路繼電器或開關(guān)，多相升壓轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)中旁路。Intersil 多相升壓控制器ISL78220符合TS16949標(biāo)準(zhǔn)，由于能夠檢測(cè)輸入電壓變化，以及切相和跳頻模式具有極高的輕載效率，因此是起步/停車應(yīng)用的理想選擇。

電池起動(dòng)電壓之后恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，多相升壓轉(zhuǎn)換器在無負(fù)載或極輕負(fù)載條件下運(yùn)行，全部電流直接由汽車電池提供。為最大限度地減小這種情況下的電池功耗，ISL78220 配置了實(shí)施多種輕負(fù)載的增強(qiáng)功能。自動(dòng)加減相功能可減少輕負(fù)載時(shí)的相數(shù)，優(yōu)化效率。同時(shí)，在負(fù)載電流極低時(shí)，也可以采用逐周期二極管仿真和跳頻方法。這樣，能夠在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)優(yōu)化系統(tǒng)效率。圖3顯示啟用與停用輕負(fù)載效率增強(qiáng)配置(去相、二極管仿真和跳頻)時(shí)的效率對(duì)比?？梢钥吹?，系統(tǒng)效率在輕負(fù)載范圍內(nèi)顯著改善。與傳統(tǒng)多相升壓轉(zhuǎn)換器相比，利用這些ISL78220增強(qiáng)配置效率可提高10%。此外，ISL78220采用無損耗DCR電流感應(yīng)電路，與傳統(tǒng)電阻感應(yīng)配置相比沒有附加損耗。同時(shí)在不需要采樣和保持電路情況下可以傳送連續(xù)電流信息，因此系統(tǒng)具有更高的精度和可靠性。

汽車多相升壓轉(zhuǎn)換器另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是車載信息娛樂系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的大功率汽車音頻放大器往往需要25 V～50 V電壓源，支持近800 W峰值功率。采用多相升壓控制器的解決方案會(huì)更加簡(jiǎn)化。功率級(jí)分成多個(gè)并聯(lián)相位有助于減輕功率組件的壓力、加快負(fù)載響應(yīng)速度并提高系統(tǒng)效率。圖4所示為汽車音頻放大器系統(tǒng)的典型系統(tǒng)配置。

汽車音頻放大器應(yīng)用有多種特殊要求。首先，當(dāng)電池電壓因緩慢放電下降時(shí)，音頻放大器輸出功率應(yīng)相應(yīng)降低，以保持電池具有起動(dòng)汽車的足夠能量。ISL78220含有專用VREF2輸入腳可連接任何模擬信號(hào)。當(dāng)內(nèi)部參考電壓低于2 V時(shí)，將以VREF2腳電壓作為內(nèi)部基準(zhǔn)。ISL78220還提供三態(tài)PWM信號(hào)，供外部驅(qū)動(dòng)器同時(shí)關(guān)閉同步升壓結(jié)構(gòu)中的上、下MOSFET，從而避免電流從輸出流至輸入，即產(chǎn)生音頻環(huán)境中的“能量泵”問題。

在混合電動(dòng)車(HEV)和電動(dòng)車(EV)系統(tǒng)中，采用200 V～400 V高壓電池組作為蓄能器，12 V傳統(tǒng)電池支持原有系統(tǒng)。高壓電池組充電通過隔離式DC-DC完成。由于高壓電池組波動(dòng)大，因此一般在低壓電池與隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入之間插入前置調(diào)節(jié)器，以優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì)。圖5所示為HEV/EV系統(tǒng)方框圖。

燃料電池供電的電動(dòng)車需要儲(chǔ)能設(shè)備啟動(dòng)燃料電池，并儲(chǔ)存再生制動(dòng)期間捕獲的能量。燃料電池是主電源，但其功率密度低，因此系統(tǒng)必須集成電池等儲(chǔ)能單元，提供瞬時(shí)條件下所需的峰值功率。儲(chǔ)能設(shè)備適于采用低壓電池，以保持與當(dāng)前大部分汽車負(fù)載的兼容性，而燃料電池的電壓相當(dāng)于60 V(市場(chǎng)上10 kW模塊)。因此，需采用DC-DC轉(zhuǎn)換器連接低壓電池與燃料電池供電的高壓DC總線系統(tǒng)。圖6所示為燃料電池接口系統(tǒng)方框圖。

Intersil的ISL78220為HEV/EV和燃料電池應(yīng)用提供了理想選擇。對(duì)于電池供電的系統(tǒng)，最重要的是監(jiān)控電池充電電流。ISL78220的IOUT腳的總輸出電流與所有相位合計(jì)感應(yīng)電流(即多相升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流)成正比。只要將IOUT腳與VREF2腳通過簡(jiǎn)易分壓、濾波后連接一起，即可準(zhǔn)確監(jiān)控總電流。另一方面，ISL78220專用PWM轉(zhuǎn)換配置腳使系統(tǒng)具有極大的靈活性。通過將這個(gè)引腳連接VCC或GND，ISL78220可分別配置為多相升壓控制器或多相降壓控制器。同步升壓或降壓結(jié)構(gòu)可用于兩個(gè)方向傳送電流。

總之，隨著功率密度和輸出功率要求的不斷提高，汽車市場(chǎng)中汽車功率調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。多相DC-DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)在許多方面簡(jiǎn)化了汽車設(shè)計(jì)。與單相模式相比，多相工作模式減少了紋波電流，有助于降低EMI并提高整個(gè)負(fù)載范圍的效率。Intersil推出的ISL78220是業(yè)內(nèi)專門為汽車起步/停車系統(tǒng)、車載音頻系統(tǒng)和HEV/EV/燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首款多相升壓控制器。通過取得TS16949認(rèn)證，體現(xiàn)了Intersil在致力于提高這些系統(tǒng)電源管理和模擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和發(fā)布質(zhì)量，促進(jìn)汽車可靠性和能效方面的技術(shù)達(dá)到了相當(dāng)?shù)乃健?br />