汽車(chē)電源轉換面臨的挑戰

目前，汽車(chē)工業(yè)客戶(hù)對電子器件的質(zhì)量和可靠性的要求越來(lái)越高。隨著(zhù)汽車(chē)電子行業(yè)的發(fā)展，為實(shí)現汽車(chē)性能最大化，同時(shí)減少保修問(wèn)題，必須提高汽車(chē)電子元器件的質(zhì)量和可靠性。

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

原有以汽油為動(dòng)力的汽車(chē)采用的電子器件很少，元器件故障雖會(huì )使汽車(chē)工作不正常，但一般還能使用。僅以增加發(fā)動(dòng)機控制功能、提高發(fā)動(dòng)機效率和燃油經(jīng)濟性為例，就需要高質(zhì)量、可靠的元器件。因為即使一個(gè)元件發(fā)生故障，發(fā)動(dòng)機也會(huì )停止工作。

目前，汽車(chē)幾乎完全由電子器件控制，駕駛者面臨可靠性帶來(lái)的各種不同風(fēng)險。一般來(lái)說(shuō)，當駕駛者走近汽車(chē)、解開(kāi)被動(dòng)進(jìn)入系統時(shí)，電子系統就開(kāi)始工作了。打開(kāi)鑰匙門(mén)、按動(dòng)按鈕發(fā)動(dòng)汽車(chē)后，大量電源、模擬和微控制器電路開(kāi)始控制發(fā)動(dòng)機、變速以及其他幾乎每一種汽車(chē)系統。

目前大部分汽車(chē)采用GPS為駕駛者導航；自適應巡航控制雷達保持安全車(chē)距；防抱死制動(dòng)系統保證駕駛者對車(chē)輛的操控；發(fā)生事故時(shí)打開(kāi)安全氣囊；在駕駛者不能駕駛的情況下，許多汽車(chē)可利用電話(huà)呼叫救援(或報告位置)。這就需要所有電子器件在相對嚴苛的工作環(huán)境下具有很高的可靠性。

目前，汽車(chē)電控功能所需平均功率為250 W～1 500 W，轎車(chē)或卡車(chē)助力功能以及車(chē)載娛樂(lè )和能效系統所需的更高功率的電子系統越來(lái)越多，因此標準是十分重要的。由于汽車(chē)電池是一種未調節的低壓電源，因此需要高壓調節DC-DC系統，大部分情況下采用多相升壓結構的升壓DC-DC轉換器。

以電動(dòng)汽車(chē)為例，這種汽車(chē)完全取消了機械式發(fā)動(dòng)機和變速箱，代之以電池、電機和高壓電子系統。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上實(shí)現的。在預期使用壽命延長(cháng)、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(guò)嚴格遵守保證各種產(chǎn)品線(xiàn)最高質(zhì)量和可靠性的汽車(chē)工業(yè)標準來(lái)實(shí)現。ISO/TS16949是一種推動(dòng)電子器件發(fā)展的最重要標準，并且幾乎已成為全球領(lǐng)先汽車(chē)廠(chǎng)商和其零部件供應商的強制標準。

以起步停車(chē)功能為例，起步/停車(chē)系統自動(dòng)關(guān)閉和重新起動(dòng)內燃機，可縮短發(fā)動(dòng)機空轉時(shí)間，從而節省油耗。對于長(cháng)時(shí)間交通堵塞，需要頻繁起步停車(chē)的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，這是最顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)。起動(dòng)期間，電池經(jīng)過(guò)一個(gè)稱(chēng)為電壓起動(dòng)下降的過(guò)程，最低達到6 V，如圖1所示。為保護電池總線(xiàn)連接的電子器件，必須避免電池—起動(dòng)電壓瞬態(tài)變化對總線(xiàn)電壓的影響。

解決這個(gè)問(wèn)題的方法是在電池與電壓總線(xiàn)之間加一個(gè)臨時(shí)調節多相升壓DC-DC轉換器，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(chē)系統方框圖。這種配置下，當電池電壓低于11.5 V閾值時(shí)，多相升壓DC-DC可提升電池電壓，提供穩定的總線(xiàn)電壓。當瞬態(tài)變化結束后，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(kāi)關(guān)，多相升壓轉換器在系統中旁路。Intersil 多相升壓控制器ISL78220符合TS16949標準，由于能夠檢測輸入電壓變化，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(chē)應用的理想選擇。

電池起動(dòng)電壓之后恢復穩定狀態(tài)時(shí)，多相升壓轉換器在無(wú)負載或極輕負載條件下運行，全部電流直接由汽車(chē)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)施多種輕負載的增強功能。自動(dòng)加減相功能可減少輕負載時(shí)的相數，優(yōu)化效率。同時(shí)，在負載電流極低時(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)負載范圍內優(yōu)化系統效率。圖3顯示啟用與停用輕負載效率增強配置(去相、二極管仿真和跳頻)時(shí)的效率對比?？梢钥吹?，系統效率在輕負載范圍內顯著(zhù)改善。與傳統多相升壓轉換器相比，利用這些ISL78220增強配置效率可提高10%。此外，ISL78220采用無(wú)損耗DCR電流感應電路，與傳統電阻感應配置相比沒(méi)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電流信息，因此系統具有更高的精度和可靠性。

汽車(chē)多相升壓轉換器另一個(gè)應用領(lǐng)域是車(chē)載信息娛樂(lè )系統，這種系統的大功率汽車(chē)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、加快負載響應速度并提高系統效率。圖4所示為汽車(chē)音頻放大器系統的典型系統配置。

汽車(chē)音頻放大器應用有多種特殊要求。首先，當電池電壓因緩慢放電下降時(shí)，音頻放大器輸出功率應相應降低，以保持電池具有起動(dòng)汽車(chē)的足夠能量。ISL78220含有專(zhuān)用VREF2輸入腳可連接任何模擬信號。當內部參考電壓低于2 V時(shí)，將以VREF2腳電壓作為內部基準。ISL78220還提供三態(tài)PWM信號，供外部驅動(dòng)器同時(shí)關(guān)閉同步升壓結構中的上、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(wèn)題。

在混合電動(dòng)車(chē)(HEV)和電動(dòng)車(chē)(EV)系統中，采用200 V～400 V高壓電池組作為蓄能器，12 V傳統電池支持原有系統。高壓電池組充電通過(guò)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轉換器輸入之間插入前置調節器，以?xún)?yōu)化變壓器設計。圖5所示為HEV/EV系統方框圖。

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

Intersil的ISL78220為HEV/EV和燃料電池應用提供了理想選擇。對于電池供電的系統，最重要的是監控電池充電電流。ISL78220的IOUT腳的總輸出電流與所有相位合計感應電流(即多相升壓轉換器的輸入電流)成正比。只要將IOUT腳與VREF2腳通過(guò)簡(jiǎn)易分壓、濾波后連接一起，即可準確監控總電流。另一方面，ISL78220專(zhuān)用PWM轉換配置腳使系統具有極大的靈活性。通過(guò)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。同步升壓或降壓結構可用于兩個(gè)方向傳送電流。

總之，隨著(zhù)功率密度和輸出功率要求的不斷提高，汽車(chē)市場(chǎng)中汽車(chē)功率調節設計面臨更加嚴峻的挑戰。多相DC-DC轉換器架構在許多方面簡(jiǎn)化了汽車(chē)設計。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)負載范圍的效率。Intersil推出的ISL78220是業(yè)內專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)起步/停車(chē)系統、車(chē)載音頻系統和HEV/EV/燃料電池系統設計的首款多相升壓控制器。通過(guò)取得TS16949認證，體現了Intersil在致力于提高這些系統電源管理和模擬產(chǎn)品設計、制造和發(fā)布質(zhì)量，促進(jìn)汽車(chē)可靠性和能效方面的技術(shù)達到了相當的水平。