日益嚴(yán)格的汽車(chē)燃油排放標(biāo)準(zhǔn)正變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)需要電動(dòng)機(jī)的幫助才能滿(mǎn)足這些標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致引入具有更高電池電壓的輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（MHEV）。48V混合動(dòng)力車(chē)今天正在生產(chǎn)中，并且正在激增。采用先進(jìn)CMOS工藝集成MOSFET的48V降壓轉(zhuǎn)換器可承受高壓拋負(fù)載瞬變，并以低EMI、低占空比和高效率運(yùn)行，有助于滿(mǎn)足這些標(biāo)準(zhǔn)。

介紹

您的汽車(chē)可能已經(jīng)到了最后一站，而您正在市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)一輛新車(chē)。您是否正在考慮另一輛汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)、全電動(dòng)汽車(chē) （EV） 或介于兩者之間？有這么多類(lèi)型的混合動(dòng)力車(chē)可供選擇，例如全混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) （FHEV）、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) （PHEV） 或輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) （MHEV），有很多選擇可供選擇。感覺(jué)有點(diǎn)像點(diǎn)你最喜歡的拿鐵口味，不是嗎？

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的軌跡從汽油發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始，到電動(dòng)機(jī)結(jié)束。這一巨大轉(zhuǎn)變背后的力量是必須滿(mǎn)足越來(lái)越嚴(yán)格的燃料排放法規(guī)。目前，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)使用電動(dòng)機(jī)來(lái)幫助啟停和再生制動(dòng)應(yīng)用，但其使用最終會(huì)消失。我們預(yù)計(jì)20年后汽車(chē)將是全電動(dòng)的。

預(yù)計(jì)2040年左右將全面禁止汽油車(chē)。伴隨這一轉(zhuǎn)型的強(qiáng)大候選者是 48V 輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) （MHEV），它幫助老式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)以適度的成本達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

在本設(shè)計(jì)解決方案中，我們將回顧MHEV的架構(gòu)，并提出一種降壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器不僅能與48V電池配合使用，同時(shí)承受高輸入電壓拋負(fù)載瞬變，而且具有低EMI、低占空比和高效率。

48V輔助系統(tǒng)

MHEV 皮帶起動(dòng)發(fā)電機(jī) （BSG） 通過(guò)用輔助動(dòng)力總成的單個(gè)裝置取代傳統(tǒng)汽車(chē)的交流發(fā)電機(jī)和起動(dòng)電機(jī)來(lái)提高效率（圖 2）。

在制動(dòng)過(guò)程中，能量從內(nèi)燃機(jī)流向48V電池。發(fā)動(dòng)機(jī)向 BSG 施加扭矩，BSG 作為響應(yīng)，充當(dāng)發(fā)電機(jī)。BSG產(chǎn)生的電波形由三相逆變器通過(guò)IGBT或MOSFET本征二極管整流，產(chǎn)生為48V電池充電的直流電流。

在啟停期間，能量從 48V 電池流向充當(dāng)電機(jī)的 BSG。在此階段，BSG通過(guò)三相逆變器功率晶體管從48V電池獲取電力。DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 48V 降壓至 16V，為三相逆變器柵極驅(qū)動(dòng)器供電，從而為 BSG 提供適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)順序。

BSG在怠速停止時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，提供扭矩提升以提高加速性能，并在制動(dòng)時(shí)為電池充電。48V 電池還可以為風(fēng)扇、泵、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向齒條、壓縮機(jī)等配件供電，并輔助啟停系統(tǒng)。48V 電池可以提供與 12V 電池相同的功率，具有 1/4千的電流，減少了汽車(chē)的電線(xiàn)損耗、尺寸和重量。

圖2.48V MHEV系統(tǒng)。

48V電池

讓我們以1kWh，48V，21Ah鋰離子MHEV電池為例。根據(jù)“VDA 320 - 機(jī)動(dòng)車(chē)輛中的電氣和電子元件 48V 車(chē)載電源”建議，電池在 36V 和 52V 之間具有無(wú)限電壓工作范圍，并允許 20V 和 60V 之間的有限工作模式和高達(dá) 70V 的動(dòng)態(tài)過(guò)壓。最大工作電壓（60V）是人類(lèi)操作員安全的最大允許接觸電壓，因此系統(tǒng)不會(huì)被歸類(lèi)為具有電擊風(fēng)險(xiǎn)的“高壓”。

48V 降壓轉(zhuǎn)換器魯棒性

如上所述，48V降壓轉(zhuǎn)換器可能會(huì)受到高達(dá)70V的電壓尖峰的影響，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)40ms，這是很長(zhǎng)一段時(shí)間的電應(yīng)力。在此限制或超過(guò)此限制的情況下操作可能會(huì)永久損壞設(shè)備。因此，降壓轉(zhuǎn)換器輸入電壓的絕對(duì)最大額定值必須有足夠的高于70V的裕量，以確保安全工作。

低電磁干擾

ECU的電源管理電子設(shè)備必須能夠承受惡劣的汽車(chē)環(huán)境，并防止電磁干擾（EMI）。因此，48V降壓轉(zhuǎn)換器必須滿(mǎn)足CISPR25 5類(lèi)EMI規(guī)范。固定頻率轉(zhuǎn)換器有助于解決輻射和傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試期間的尖峰。固定和可調(diào)頻率允許設(shè)計(jì)工程師將濾波集中在特定頻率上，以幫助通過(guò)EMI測(cè)試。相比之下，恒定導(dǎo)通時(shí)間架構(gòu)通常表現(xiàn)出可變頻率，這使得獲得良好的EMI性能變得更加困難。

前端 48V 降壓轉(zhuǎn)換器

汽車(chē)有幾十個(gè)電子控制單元（ECU）。典型的ECU電源管理架構(gòu)如圖3所示。48V 與一個(gè)堅(jiān)固耐用的前端降壓轉(zhuǎn)換器接口，可承受電池的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電壓條件，進(jìn)而幫助為各種柵極驅(qū)動(dòng)器供電，以實(shí)現(xiàn) 16 至 20V 的電機(jī)控制外，同時(shí)還為 MCU 提供備用電源，以防 12V 電池?cái)嚅_(kāi)。

圖3.ECU 配電。

與12V輸入相比，48V降壓轉(zhuǎn)換器往往具有更高的開(kāi)關(guān)損耗

，這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)降低工作頻率（f）和采用具有更小最小特性和更低寄生電容（C）的先進(jìn)工藝來(lái)緩解。此外，控制技術(shù)必須適合在低占空比下運(yùn)行。例如，16V 輸出和 48V 輸入導(dǎo)致

.這意味著降壓轉(zhuǎn)換器高邊晶體管僅導(dǎo)通33%的時(shí)間，而低邊晶體管導(dǎo)通67%的時(shí)間。這些考慮可以指導(dǎo)功率晶體管的尺寸以獲得最佳性能。

集成解決方案

MAX20059為高效率、高電壓、同步降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器IC，集成MOSFET，工作在4.5V至72V輸入電壓范圍。該 IC 的絕對(duì)最大額定值為 80V，工作條件為 8V 與 72V，電池動(dòng)態(tài)過(guò)壓建議為 10V 與 70V。

該 IC 根據(jù) VDA320 建議進(jìn)行了全面測(cè)試。例如，圖4顯示了在超過(guò)VDA320建議的條件下進(jìn)行的測(cè)試之一，即瞬態(tài)過(guò)壓測(cè)試：

V在= 14V 至 72V

V外= 12V

0A 負(fù)載 400kHz，脈寬調(diào)制

圖4.瞬態(tài)過(guò)壓測(cè)試。

該 IC 還根據(jù) EMI CISPR25 5 類(lèi)規(guī)范進(jìn)行了電磁輻射測(cè)試。例如，圖5顯示了使用200MHz至1GHz對(duì)數(shù)周期（水平）天線(xiàn)執(zhí)行的眾多EMI測(cè)試之一。IC的發(fā)射水平遠(yuǎn)低于極限。

圖5.符合 EMI CISPR25 5 類(lèi)規(guī)范。

轉(zhuǎn)換器提供高達(dá) 1A 的電流。輸出電壓可在 0.8V 至 90%V 范圍內(nèi)編程在.-40°C至+125°C范圍內(nèi)的反饋電壓調(diào)節(jié)精度為±1.5%。該 IC 采用峰值電流模式控制架構(gòu)，可在脈寬調(diào)制 （PWM） 或脈沖頻率調(diào)制 （PFM） 控制方案中工作。該 IC 采用 12 引腳 （3mm x 3mm） 側(cè)面可潤(rùn)濕 TDFN 封裝，帶有用于散熱的裸露焊盤(pán)。圖6所示為48V至16V典型應(yīng)用電路。

圖6.785在至 16V外具有400kHz開(kāi)關(guān)頻率的降壓轉(zhuǎn)換器。

高效率

為了獲得最大的靈活性，IC有兩種工作模式。PFM在整個(gè)工作范圍內(nèi)提供高效率，但輸出電壓紋波高于PWM。PWM 操作（圖 7）可在所有負(fù)載下提供恒定頻率操作，適用于對(duì)開(kāi)關(guān)頻率敏感的應(yīng)用。因此，輕負(fù)載時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗更高，MAX20059在48V電壓下>可實(shí)現(xiàn)90%的峰值效率。在至 16V外.

圖7.48在至 16V外400kHz時(shí)的降壓轉(zhuǎn)換器效率。

結(jié)論

汽車(chē)環(huán)境正在經(jīng)歷史詩(shī)般的轉(zhuǎn)變。由于燃料排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)處于下降拋物線(xiàn)上，最終將以全電動(dòng)汽車(chē)結(jié)束。與此同時(shí)，像48V MHEV這樣的混合實(shí)現(xiàn)正在激增。我們重點(diǎn)介紹了設(shè)計(jì)在惡劣的48V汽車(chē)環(huán)境中運(yùn)行的穩(wěn)壓器所面臨的挑戰(zhàn)，并介紹了一款高壓前端降壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入電壓靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變化具有高容差、低EMI和高效率。

審核編輯：郭婷