自從1898年汽車(chē)首次采用電氣照明以來(lái)，市場(chǎng)對(duì)于汽車(chē)電氣特性和功能的需求日益增長(zhǎng)。隨著12V系統(tǒng)的局限性逐漸凸顯，汽車(chē)行業(yè)正逐步轉(zhuǎn)向48V系統(tǒng)。這一轉(zhuǎn)變不僅是為了提供更大的電力容量，縮小電線和連接器的尺寸，也是為了支持更多先進(jìn)的電氣功能，并有效降低能耗。

在當(dāng)前的輕度混合動(dòng)力汽車(chē)(MHEV)中，通常會(huì)配備兩塊電池：一塊48V電池和一塊傳統(tǒng)12V電池。其中，48V-12V DC-DC轉(zhuǎn)換器起到了關(guān)鍵作用，它將這兩塊電池連接起來(lái)，確保電力系統(tǒng)的高效運(yùn)行。48V電池主要用于支持車(chē)輛的高性能需求和節(jié)能特性，而12V電池則繼續(xù)負(fù)責(zé)為諸如信息娛樂(lè)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和安全模塊等較低功率的設(shè)備供電。這種設(shè)計(jì)既保證了系統(tǒng)的兼容性，又促進(jìn)了新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

本文為“48V-12V DC-DC 轉(zhuǎn)換器”系統(tǒng)解決方案指南的第二部分，將重點(diǎn)介紹解決方案。

解決方案概覽

基于非隔離降壓 - 升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 DC-DC 雙向轉(zhuǎn)換器

功率級(jí)

在此應(yīng)用中，普遍采用的功率級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是非隔離同步降壓轉(zhuǎn)換器。同步開(kāi)關(guān)也便于雙向電流流動(dòng)， 從而實(shí)現(xiàn)升壓模式運(yùn)行。從48V側(cè)來(lái)看，該配置可用作同步降壓轉(zhuǎn)換器;而從12V側(cè)來(lái)看，其功能則轉(zhuǎn)變?yōu)橥缴龎恨D(zhuǎn)換器。

在12V-48V車(chē)載系統(tǒng)中，電池連接到DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出端，這有助于降低輸出電壓紋波。為了進(jìn)一步減小升壓模式下的輸出電壓紋波，在48V側(cè)設(shè)置了一個(gè)L-C濾波器。另一種降低輸出電壓紋波的方法是將功率分散到更多交錯(cuò)相位上。需要注意的是，對(duì)于降壓模式和升壓模式，L-C濾波器都可能影響轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性。此外，還需要考慮到電感器的飽和電流必須超過(guò)平均直流電流，而電容器在設(shè)計(jì)中也需滿(mǎn)足相應(yīng)的紋波電流要求。

雙向功能對(duì)輸入和輸出電容器的選擇有著重要影響。為了實(shí)現(xiàn)雙向工作， 功率級(jí)內(nèi)部的電容器會(huì)動(dòng)態(tài)地轉(zhuǎn)換功能。選擇輸出電容容量需要在減少輸出電壓紋波、過(guò)沖和系統(tǒng)成本之間進(jìn)行權(quán)衡。過(guò)多的輸出電容量也會(huì)反過(guò)來(lái)影響瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

功率級(jí)：交錯(cuò)非隔離雙向降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

多相轉(zhuǎn)換器

考慮采用多達(dá) 6 個(gè)交錯(cuò)(并聯(lián)) 功率級(jí)(相位) 的多相 DC-DC 雙向轉(zhuǎn)換器。多相轉(zhuǎn)換器是大功率應(yīng)用的合理選擇， 與單相轉(zhuǎn)換器相比， 多相轉(zhuǎn)換器具有輸出紋波更低、 可使用更小的電容器、 瞬態(tài)響應(yīng)更快等優(yōu)點(diǎn)。其他優(yōu)勢(shì)還包括電感器尺寸更小， PCB 上的功率耗散得到改善。

功率級(jí)內(nèi)部的MOSFET必須能承受高電流， 并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率產(chǎn)生顯著影響。導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗共同構(gòu)成了晶體管上的功率耗散。需要考慮的主要參數(shù)包括導(dǎo)通電阻RDS(ON)、 柵極電荷以及寄生元件等， 它們能在導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗之間取得平衡。

安森美用于低壓和中壓 MOSFET 的新型 T10 技術(shù)是理想的選擇， 該技術(shù)采用屏蔽柵極溝道設(shè)計(jì)， 具有超低 QG 和RDS(ON) < 1m 的特性。

T10技術(shù)通過(guò)其行業(yè)領(lǐng)先的軟恢復(fù)體二極管(Qrr, Trr) 減少了振鈴、 過(guò)沖和噪聲， 實(shí)現(xiàn)了性能與恢復(fù)特性之間的完美平衡。

48V 系統(tǒng)中的元器件冗余

48V 電力網(wǎng)絡(luò)的元件冗余對(duì)于確保電力系統(tǒng)的可靠性和彈性至關(guān)重要。在單個(gè)元件發(fā)生故障時(shí)， 冗余元件可作為備份，防止整個(gè)系統(tǒng)中斷。這對(duì)于控制制動(dòng)、 轉(zhuǎn)向和安全氣囊等關(guān)鍵安全系統(tǒng)尤為重要。車(chē)載環(huán)境帶來(lái)了各種挑戰(zhàn)， 包括振動(dòng)、 溫度波動(dòng)、 潛在的元件故障和短路風(fēng)險(xiǎn)。

冗余有助于提高車(chē)輛電氣結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)健性， 確保在部件故障、 意外損壞的情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)和不間斷的功能， 并降低與電氣短路相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。

轉(zhuǎn)向 48V 架構(gòu)能夠加速采用 ADAS 和更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛功能， 例如線控轉(zhuǎn)向和線控制動(dòng)， 在這些功能中， 對(duì)冗余、容錯(cuò)和可靠性的要求至關(guān)重要。與 12V 系統(tǒng)相比， 48V 系統(tǒng)對(duì)這些高峰值負(fù)載設(shè)備的冗余驅(qū)動(dòng)變得更輕便、 更具成本效益。

帶有冗余開(kāi)關(guān)的48V 冗余電力總線可防止故障從一條電力總線傳播到另一條總線。這可確保在系統(tǒng)的某個(gè)部分發(fā)生故障時(shí)， 關(guān)鍵功能可無(wú)縫轉(zhuǎn)移到未受影響的通路上。

表 1 展示了安森美的一些器件， 這些器件可通過(guò)構(gòu)建冗余網(wǎng)絡(luò)提高 48V 電氣架構(gòu)的穩(wěn)健性和可靠性。本《系統(tǒng)解決方案指南》 的后續(xù)章節(jié)將介紹各個(gè)建議器件。

表 1：在 48V 系統(tǒng)中建立冗余的器件建議

電子保險(xiǎn)絲(eFuse) NIV3071 可保護(hù)多達(dá) 4 個(gè)獨(dú)立的 48V 下游負(fù)載免受輸出短路、 過(guò)載和過(guò)流事件的影響。電源可安全地驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)受保護(hù)的獨(dú)立負(fù)載， 每個(gè)負(fù)載的連續(xù)電流為 2.5A。此外， eFuse可配置成單通道模式， 用于驅(qū)動(dòng)高達(dá)10A的單一連續(xù)負(fù)載電流。

用于 48V 和 MHEV 應(yīng)用的集成式汽車(chē)電源模塊(APM)

安森美提供了多種封裝形式的汽車(chē)MOSFET模塊系列， 專(zhuān)為 48V 系統(tǒng)、 MHEV 和低壓牽引系統(tǒng)中的電源應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

APM21 模塊的發(fā)布進(jìn)一步豐富了安森美適用于汽車(chē)應(yīng)用的高性能、 高可靠性壓鑄模(transfer-molded) 模塊產(chǎn)品線。

APM系列提升了高度集成的緊湊型設(shè)計(jì)， 具有低雜散電感和更好的抗電磁干擾(EMI) 表現(xiàn)。高效的電流處理消除了PCB 中大電流通路的必要性。

NXV10V160ST1 APM21 集成了 6 個(gè) 100V MOSFET(3x 半橋) ， 可處理如 48 V 逆變器、 電子壓縮機(jī)和其他大功率輔助設(shè)備等3相典型應(yīng)用。

APM19 模塊：FTC03V85A1 是一款 80 V 低 RDS(ON)模塊， 具有一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的 3 相 MOSFET 電橋， 可用于構(gòu)建 1.5kW 48V-12V 交錯(cuò)式DC-DC轉(zhuǎn)換器。兩個(gè)模塊可組成一個(gè) 6 相 3kW 轉(zhuǎn)換器。

NXV08V110DB1 是一款 80 V 低 RDS(ON)APM19 模塊，經(jīng)過(guò)優(yōu)化可用作變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三相逆變橋。

APM19 模塊包括一個(gè)用于電流檢測(cè)的精密分流電阻、一個(gè)用于溫度檢測(cè)的 NTC 和一個(gè) RC 緩沖器電路。

用于 48V 和 MHEV 應(yīng)用的集成式汽車(chē)電源模塊(APM)

APM12 是一款成熟可靠的 80V 單相逆變器模塊(NXV08A170DB2) ， 具有電流檢測(cè)、 溫度檢測(cè)及緩沖電路功能。通過(guò)將n個(gè)APM12模塊堆疊使用， 可以轉(zhuǎn)換成n相電機(jī)逆變器。

APM17 模塊配置為雙半橋(兩相模塊) ， 可方便地通過(guò)外部連接構(gòu)成單半橋， 以適用于兩倍相電流。

AMP17 示例：NXV08H250DT1、 NXV08H400EXT1。可將三個(gè) APM17 模塊配置在一起， 以驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)或六相電機(jī)( 48V 主逆變器) 。

?雜散電感低：APM17 可使 25kW 48V 逆變器系統(tǒng)的總雜散電感小于 15nH。

?結(jié)阱熱阻最低。

?設(shè)計(jì)緊湊， 模塊總電阻低。

高效的大電流處理， PCB上無(wú)需大電流通路。

對(duì)于 20~25kW， 可將 24~36 個(gè) MOSFET 減少到3 個(gè) APM。

?該系列提供絕緣陶瓷 DBC 基板選項(xiàng)， 以提供標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)質(zhì)的熱性能。

?多種 RDS(ON)額定值可滿(mǎn)足最終用戶(hù)的電流要求， 且有多種引腳輸出選項(xiàng)可供不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用。

封裝種類(lèi)：標(biāo)準(zhǔn)、 壓接式、 PCB側(cè)安裝引腳。

APM17 - 用作電池和負(fù)載開(kāi)關(guān)的背對(duì)背 MOSFET 模塊

NXV08B800DT1 是汽車(chē)用雙通道背對(duì)背 MOSFET 功率模塊，80V， 0.58mΩ， 采用共源極連接?？稍?48V MHEV 應(yīng)用中作為電池或負(fù)載開(kāi)關(guān)出色地工作(如下圖所示) 。

電氣隔離 DBC 基板， 實(shí)現(xiàn)低 Rthjc， 集成溫度檢測(cè)功能。

低結(jié)阱熱阻。

優(yōu)化的雜散電感與高度集成的緊湊設(shè)計(jì)。

適用于雙向系統(tǒng)， 輸入路徑隔離。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器內(nèi)的斷路開(kāi)關(guān)

DC-DC 轉(zhuǎn)換器的每一側(cè)都應(yīng)具備通過(guò)斷路開(kāi)關(guān)(斷路器) 與相應(yīng)的電源軌斷開(kāi)連接的能力。最佳解決方案是采用雙背靠背 N-MOSFET 配置， 盡管 48V 側(cè)只需要單個(gè) MOSFET。

安森美 MOSFET 具有較低的 RDS(ON)， 額定電壓范圍為 40V 至 100V， 滿(mǎn)足上述要求， 可將功率路徑上的導(dǎo)通損耗降至最低。斷路開(kāi)關(guān)還應(yīng)為轉(zhuǎn)換器提供過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)。48V/12V 斷路開(kāi)關(guān)的受保護(hù)側(cè)可作為電壓檢測(cè)電路的參考點(diǎn)。

12V 電池側(cè)

用戶(hù)通?？梢灾苯咏佑|到車(chē)輛中的 12V 電池， 這就對(duì)系統(tǒng)提出了嚴(yán)格的要求， 需要在用戶(hù)誤接電池正負(fù)極時(shí)提供反向極性保護(hù)。因此， 在斷路開(kāi)關(guān)中采用背對(duì)背 MOSFET 配置， 是為了在電池極性接反的情況下保護(hù)轉(zhuǎn)換器不受損害。當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)， DC-DC 轉(zhuǎn)換器必須從兩個(gè)電源軌上斷開(kāi)連接， 以防止在非工作時(shí)段產(chǎn)生電流消耗。

MOSFET：低壓和中壓

安森美提供了廣泛適用于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器、 電機(jī)控制及其它 48V 汽車(chē)應(yīng)用的低壓(LV) 和中壓(MV) MOSFET 產(chǎn)品。

設(shè)計(jì)人員可以從提供不同特性的多種元器件技術(shù)中進(jìn)行選擇。80V 至 100V MOSFET 可用于轉(zhuǎn)換器功率級(jí)、 48V 輔助設(shè)備和其他應(yīng)用。而對(duì)于 12V 電源軌和傳統(tǒng)的 12V 應(yīng)用， 40V 低壓 MOSFET 具有良好效能。

T10 屏蔽柵極溝槽技術(shù)

新型 T10 屏蔽柵極溝槽技術(shù)主要針對(duì) DC-DC 轉(zhuǎn)換應(yīng)用(T10S 型號(hào)) 及電機(jī)控制、 負(fù)載開(kāi)關(guān)(T10M 型號(hào)) 領(lǐng)域。該技術(shù)旨在優(yōu)化效率， 降低輸出電容及關(guān)鍵性能指標(biāo)， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻 RDS(ON)和柵極電荷 QG。其中， 出色的 40V溝 槽 技 術(shù) 產(chǎn) 品 NVMFWS0D4N04XM ， RDS(ON)可 低 至 0.42m? ， 采 用 小 巧 的 5x6 封 裝 。而 對(duì) 于 80V 的 選 項(xiàng)NVBLS0D8N08X， RDS(ON)則可低至 0.79m? 。

頂部冷卻封裝(TCPAK)

MOSFET 因其功率大、 體積小而被廣泛選用。然而， 傳統(tǒng)表面貼裝器件(SMD) 的散熱效果并不理想， 因?yàn)闊崃恐饕ㄟ^(guò)PCB板傳播。為了解決這一問(wèn)題并進(jìn)一步縮小器件尺寸， 我們開(kāi)發(fā)了一種新型頂部冷卻 (Top Cool) MOSFET 封裝， 它將 MOSFET 的引線框架(漏極) 在封裝的頂部外露。這一設(shè)計(jì)避開(kāi)了通過(guò) PCB 進(jìn)行散熱的方式。TCPAK57 是

5.1 x 7.5 mm的緊湊型封裝。

NVMJST0D9N04C 40V 版本的最低 RDS(ON)為 1.07 mΩ。

NVMJST2D6N08H 80V 版本的最低 RDS(ON)為 2.8 mΩ。

Top Cool 技術(shù)使得 PCB 的兩面均可利用，從而實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

降低 PCB 溫度，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命。

通過(guò)避開(kāi) PCB 的熱傳導(dǎo)路徑，改善散熱。

引腳封裝(鷗翼形引腳)增強(qiáng)了板級(jí)可靠性。

銅夾(Cu clip)連接，最小化封裝電阻。

T10 MOSFET 技術(shù)：中壓 80V 和 低壓 40V

新型 T10(S) 屏蔽柵極溝槽設(shè)計(jì)適用于 DC-DC 轉(zhuǎn)換(開(kāi)關(guān)應(yīng)用)，旨在優(yōu)化效率、低輸出電容和 FOM 系數(shù)。與傳統(tǒng)的 T8 溝槽柵極技術(shù)相比， T10 實(shí)現(xiàn)了：

更低的 RDS(ON)和柵極電荷 QG， RDS(ON)< 1mΩ， QG <10 nC。

更低的 Rsp(RDS(ON)vs 面積)

改進(jìn)了 FOM(Rdsx Qoss/QG/Qgd)，提高了性能和整體效率。

業(yè)界領(lǐng)先的軟恢復(fù)體二極管(Qrr、 Trr)，減少了振鈴、過(guò)沖和噪聲。

用于 80V 、 100V MOSFET 和功率模塊的柵極驅(qū)動(dòng)器

FAD3151MXA和FAD3171MXA是 110V、 2.5A 單通道浮置汽車(chē)柵極驅(qū)動(dòng)器， 適用于驅(qū)動(dòng)高達(dá) 110 V 的高速功率MOSFET。這些驅(qū)動(dòng)器采用 SOI 技術(shù)設(shè)計(jì)， 非常適合需要抗嚴(yán)重負(fù)瞬態(tài)和高達(dá) -80 V 接地電壓偏移等抗擾性的應(yīng)用。

除DC-DC轉(zhuǎn)換器外， 它們還可用于多種 48V 應(yīng)用， 如電池開(kāi)關(guān)、 輔助設(shè)備(暖通空調(diào)、 電子渦輪增壓) 、 PTC 加熱器、起動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)。

特性：

具有軟關(guān)斷功能的漏極-源極去飽和檢測(cè)

內(nèi)置電荷泵，支持 100% 占空比操作(僅限 FAD3171MXA)

具備欠壓鎖定保護(hù)(UVLO)保護(hù)、雙向故障指示引腳

可應(yīng)對(duì)高達(dá) -80V 的負(fù)瞬態(tài)電壓，快速負(fù)載轉(zhuǎn)換 dVs/dt 抗擾度超過(guò) ± 50 V/ns

設(shè)計(jì)資源：

?應(yīng)用筆記 AND90251/D：FAD3151MXA 和 FAD3171MXA 原理圖、示例和電路分析

?教程：通用隔離和柵極驅(qū)動(dòng)器概述

用于 DC-DC 轉(zhuǎn)換的高壓側(cè)和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器

NCV51513和NCV51511是專(zhuān)為汽車(chē)應(yīng)用設(shè)計(jì)的高壓和低壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器， 具有高驅(qū)動(dòng)電流能力和多種配置選項(xiàng)， 特別針對(duì) DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器和逆變器進(jìn)行了優(yōu)化。這些驅(qū)動(dòng)器旨在驅(qū)動(dòng)采用半橋或同步降壓配置的 MOSFET。

NCV51513 在高頻工作下具有同類(lèi)極佳的傳播延遲、 低靜態(tài)電流和低開(kāi)關(guān)電流。它有兩個(gè)版本供選擇， 分別對(duì)應(yīng)不同的傳播延遲時(shí)間。帶濾波器版本的典型傳播延遲為 50 ns， 而不帶濾波器版本的典型傳播延遲為 20 ns。它的 dV/dt 抗擾度高達(dá) 50 V/ns， 對(duì)于 1 nF 負(fù)載， 上升/下降時(shí)間分別為 9 ns 和 7 ns。

電子保險(xiǎn)絲(eFuse) NIV3071NIV3071是 一 款 8V 至 60V 、 10A 電 子 保 險(xiǎn) 絲(eFuse) ， 采用 5x6mm 小型封裝， 集成了 4 個(gè)獨(dú)立通道(每個(gè)通道 2.5A) 。

可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)獨(dú)立的 2.5A 負(fù)載， 或?qū)?eFuse 輸出短接在一起， 48V內(nèi)可承載獨(dú)立 10A 連續(xù)負(fù)載電流。

保護(hù) 12V 和 48V 下游負(fù)載免受輸出短路、 過(guò)載和過(guò)流事件的影響。

適用于汽車(chē)區(qū)域控制單元(區(qū)域控制架構(gòu)) ， 確保整個(gè)車(chē)輛各局部 ECU 得到保護(hù)并保持穩(wěn)健。

保護(hù) 48V 汽車(chē)車(chē)身控制模塊、 ADAS 域控制器、遠(yuǎn)程信息處理、 線束保護(hù)。

軟啟動(dòng)、 可配置電流限制、 控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)引腳

評(píng)估板 NIV3071MTW4GEVB 支持原型設(shè)計(jì)和測(cè)試。

NCV12711 - 12V 輔助電源 - 峰值電流 PWM 控制器

NCV12711是一款固定頻率、 峰值電流模式PWM控制器， 具有實(shí)施單端功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(反激式、 正激式轉(zhuǎn)換器)所需的必要性能。它具有 4-45V 寬輸入范圍， 可用作輔助電源的 DC-DC 控制器。

工作頻率 100kHz 至 1MHz， 帶斜率補(bǔ)償(防止次諧波振蕩， 改善 EMI) 。

1A 拉電流/灌電流柵極驅(qū)動(dòng)器。無(wú)需輔助繞組。

輸入電壓支持欠壓鎖定(UVLO) 、 過(guò)功率保護(hù)、 可編程軟啟動(dòng)。

評(píng)估板NCV12711FLOATGEVB：12V/1A 初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)， 無(wú)需輔助繞組。

數(shù)字隔離器

數(shù)字隔離器因其在溫度和時(shí)間上的穩(wěn)定性而廣泛應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域。NCIV9211、 NCIV9311、 NCIV9401 是具有 2/3/4 通道的高速雙向陶瓷數(shù)字隔離器系列。它們采用安森美獲得專(zhuān)利的片外電容隔離技術(shù)和優(yōu)化的集成電路設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 2kV 的絕緣和抗噪能力。片外陶瓷電容器既是隔離屏障， 也是使用開(kāi)關(guān)鍵控(OOK) 技術(shù)進(jìn)行信號(hào)切換的傳輸介質(zhì)。

隔離的典型應(yīng)用：PWM 控制、 MCU 接口、 可編程邏輯控制、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、 電壓電平轉(zhuǎn)換。