應對下一代汽車(chē)電源系統的挑戰

當你實(shí)現更嚴格的排放和燃油經(jīng)濟性標準、48V鋰離子電池技術(shù)、能量收集，以及諸如電子助力轉向(EPS)、線(xiàn)控制動(dòng)(BBW)和暖通空調(HVAC)系統等大功率應用時(shí)，你會(huì )從中得到什么?你會(huì )得到針對汽車(chē)電池系統發(fā)生根本改變的完美環(huán)境，它在未來(lái)十年將給半導體供應商創(chuàng )造巨大的有利機會(huì )。

圖1：為了應對汽車(chē)電子市場(chǎng)的當前大趨勢，Intersil公司開(kāi)發(fā)了關(guān)鍵技術(shù)

在汽車(chē)的電氣化方面并沒(méi)有什么新東西出現。事實(shí)上，在上世紀90年代，一些創(chuàng )新思考者致力于42V標準，使現有12V系統的電壓顯著(zhù)提高，并推動(dòng)了從轉向到照明各種子系統的電動(dòng)機的出現。但使這些應用能夠脫離12V電源的其他創(chuàng )新，以及使用更大電池組來(lái)支持更高電壓的想法，始終未能占據主導地位。

圖2：12V轉48V系統

在許多推動(dòng)因素的共同作用下，汽車(chē)的混合動(dòng)力化已從概念變?yōu)楝F實(shí)，并為半導體供應商創(chuàng )造了一個(gè)全新的創(chuàng )新領(lǐng)域。大多數汽車(chē)制造商對2015年新車(chē)型所采用的新標準被稱(chēng)為48V BoardNet。這一次的變化是實(shí)實(shí)在在的，并且電池技術(shù)的發(fā)展一直是一個(gè)關(guān)鍵因素。雖然系統中仍然使用傳統的鉛酸電池來(lái)支持12V網(wǎng)絡(luò )為“輕”負載供電，但48V鋰離子電池提供的獨立48V網(wǎng)絡(luò )可支持包括助力轉向、高端音頻系統和HVAC系統在內的主要功能系統(圖3)。除了有更高的充電量，鋰離子電池還具有高得多的能量密度和輕得多的重量。

圖3：轉向48V標準解決方案列表

高電壓優(yōu)勢

在汽車(chē)應用中支持高壓的能力為提高汽車(chē)效率帶來(lái)了許多機會(huì )。低速以及走走停停的行駛不僅不再浪費汽油，而且能夠成為一個(gè)能量收集來(lái)源，所收集的能量可存儲在電系統中并重新利用，最終達到降低油耗的目的。例如，精確的電池管理可增加效率并延長(cháng)電池壽命，這使得汽車(chē)“始終在線(xiàn)”并與智能手機通信，從而遠程啟動(dòng)制冷或加熱系統以及施加或解除警報和信息娛樂(lè )系統的需求能夠更加容易實(shí)現。

合適技術(shù)的融合、要求降低油耗的監管環(huán)境和實(shí)現大幅能源節省的機會(huì )，將有望轉化為對汽車(chē)支持更高電壓標準的需求的強勁增長(cháng)。據Lux Research預測，以2015年為采用微混技術(shù)的第一個(gè)年頭，48V微混市場(chǎng)的規模在2024年將達到7.88億美元。早期采用將集中于高檔車(chē)，全球需求將由歐洲、美國和中國所引領(lǐng)。

對半導體供應商而言，轉向48V標準是一個(gè)重大行動(dòng)，因為這需要高得多的能力水平來(lái)提供可靠但同時(shí)又經(jīng)濟的解決方案。目前只有極少數供應商能夠提供高達72V的汽車(chē)級解決方案，為支持48V標準提供所需的裕量。標準高壓工藝并不能現成地用于精密轉換器和放大器等混合信號器件。于是供應商紛紛開(kāi)發(fā)專(zhuān)有工藝技術(shù)來(lái)經(jīng)濟地提供高壓工藝要求的精度。

嚴格的技術(shù)要求為熟悉汽車(chē)市場(chǎng)的苛刻要求并知道如何滿(mǎn)足這些要求的供應商提供了機會(huì )。例如，這一創(chuàng )新直接影響駕乘體驗的少數關(guān)鍵領(lǐng)域，如起停應用的管理、安全和效率。

在混合動(dòng)力車(chē)起停應用中，包括報警、信息娛樂(lè )、后視攝像頭等在內的許多系統都可能在起停操作中出現毛刺信號時(shí)被意外關(guān)閉。因此，升降壓器件維持輸出功率(甚至在輸入電壓下降到低至1.8V的情況下)的能力至關(guān)重要，這樣這些系統才能繼續發(fā)揮作用。

安全是另一個(gè)重要問(wèn)題?；旌蟿?dòng)力/電動(dòng)車(chē)可能有96~190個(gè)電池單元。要想準確地監測電池單元的電壓、電流和溫度，并可靠地傳輸這些監測信息，對保持汽車(chē)的安全行駛至關(guān)重要。這一傳輸必須具有高性?xún)r(jià)比，減少導線(xiàn)數量并增加可靠性。Intersil公司開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng )新的支持長(cháng)線(xiàn)的菊花鏈通信協(xié)議。這取代了將電池模塊、均衡IC、MCU和CAN接口連接到中央控制單元的傳統方法，避免了該方法成本高昂和造成許多潛在故障點(diǎn)的缺陷。

當然，面向該市場(chǎng)的任何IC技術(shù)都需要準確性。例如，Intersil用創(chuàng )新電源解決方案使每個(gè)電池單元的電壓監控精度達到3mV，從而提供了高達10%的效率提升。在實(shí)際應用中，這意味著(zhù)汽車(chē)行程可從100英里增加到110英里?；蛘?，以電池組的壽命來(lái)說(shuō)，通常其可以保證長(cháng)達10年的電池壽命。效率提高10%可使電池壽命延長(cháng)一年。

最后，靈活性也非常重要。不斷發(fā)展的電源需求和新標準增加了汽車(chē)OEM廠(chǎng)商及其合作伙伴設計電源系統的復雜性。能夠創(chuàng )建一種設計并使之適用于不同的電源系統負載，同時(shí)支持12V、24V和48V電壓總線(xiàn)要求，可顯著(zhù)節省時(shí)間和成本。Intersil專(zhuān)門(mén)設計了一種高集成度和多功能的降壓轉換器，來(lái)支持從高壓總線(xiàn)(Vin——通常為12V、24V或48V)到低壓總線(xiàn)(Vout——通常為3.3V、5V或12V)的輕松轉換。集成峰值電流模式同步PWM控制器和集成上管及下管FET驅動(dòng)器使效率得到了進(jìn)一步提升。

還有更多創(chuàng )新會(huì )陸續出現，未來(lái)十年，相信汽車(chē)市場(chǎng)將成為半導體領(lǐng)域許多最重要電源技術(shù)突破的試驗場(chǎng)。