电动汽车双电源系统 48V 和 12V 应用

汽车业的发展主要由电气化和自动驾驶两大趋势所推动。由于欧盟设定了二氧化碳减排目标，除了汽车电气化，OEM别无选择。同时，为了提高汽车安全性并实现全自动驾驶的最终目标，OEM使用了越来越多的传感器，并不断提升计算性能来处理传感器产生的所有数据。

汽车行业多年来一直被CASE所驱动，即网联化（Connected）、自主/自动化（Autonomous/Automated）、共享化（Shared）和电气化（Electric）。在这四个发展趋势中，其中两个聚积了更多的研发力量。

第一个是OEM汽车电气化。由于欧盟设定了二氧化碳减排目标（2021年为95g/km，2025年达到81g/km），除了汽车电气化，OEM似乎别无选择。

第二个是自主/自动驾驶，需要OEM将越来越多的自动驾驶功能集成在一起，以实现全自动驾驶的长远目标。通过添加更多的传感器，并不断提升计算性能来处理这些传感器产生的所有数据，OEM有望实现这一目标。

汽车行业的电气化正在以不断增加的速度发生，这主要是受政府关于二氧化碳 (CO 2 ) 减排标准的推动。欧盟设定了一个目标为新的车辆发出的CO只有95克/公里2 2020年中国等其他国家也在制定类似的法规。为了满足这些标准，汽车制造商正在转向轻度混合动力电动汽车，除了标准的 12V 汽车电池外，还使用二次高压电池。

德国汽车制造商已经开始定义和构建基于 48V 电池的系统。与传统的 12V 电池相比，48V 电池可以以更低的电流提供更多功率，同时减轻线束的重量并且不会牺牲性能。在这一发展过程中，LV 148 标准已成为双电池汽车系统的主流起点。双电池系统的顶层框图如图 1 所示。

图 1：双电池汽车系统框图

拟议系统面临哪些挑战？你如何克服障碍？许多 OEM 系统要求规定能量必须可以从 48V 轨传输到 12V 轨，反之亦然。如果电池已放电，则需要双向电源传输来为其充电，并在过载情况下为相反的电压轨提供额外的电源。为了在不损坏电池的情况下为电池充电，控制器必须能够非常准确地控制充电电流。在大多数汽车应用中，最大功率传输并不小，通常落在 2kW 到 3kW 的范围内。两条轨道上的电压可能会有很大差异。根据 LV 148 规范，48V 轨通常在 36V 和 52V 之间，而 12V 轨的范围可以从 6V 到 16V。对于可能损坏系统的任何故障情况，还必须存在保护电路。有了这些要求，很明显，桥接 48V 和 12V 电源轨所需的 DC/DC 转换器将不是一个微不足道的设计项目。

意识到 48V 轨和 12V 轨的电压范围从不重叠，可大大降低设计复杂性。对于从 48V 轨到 12V 轨的功率传输，我们可以使用降压转换器，而在 12V 到 48V 轨方向上的功率传输可以通过升压转换器实现。由于千瓦范围的功率要求，每个转换器都应使用同步 MOSFET 而不是续流二极管，以提高系统效率。

降压和升压拓扑在电力电子领域广为人知，但设计两个独立的转换器将占用宝贵的电路板空间并增加系统复杂性和成本。仔细观察这两种拓扑，我们会发现降压和升压转换器的动力系统非常相似。两种拓扑都至少包含两个功率 MOSFET、一个电感器和一定量的输出电容。控制器是拓扑之间的差异。在降压拓扑中，受控开关是高侧 MOSFET，而在升压拓扑中，它是低侧 MOSFET。假设我们选择了正确的控制器，只需更改受控开关，就可以在使用相同动力系统组件的同时改变电感器中的电流方向。

图 2：单控制器双向转换器的演变

虽然同步开关对于大电流设计是必要的，但它并不是万能的。在 2kW 功率下，12V 电源轨将传导大约 166A。快速浏览一下就会告诉我们，我们需要多相操作才能实际实现此设计。通过使用多相架构，我们可以减小组件的物理尺寸并使热管理更容易。为了轻松地并联每个电源相位，降压或升压模式操作中的控制方案应该是电流模式控制。多相操作还可以实现每相的交错切换。每次不切换每个相位会减少输出纹波，从而有助于减少电磁干扰 (EMI)。

在所有系统中，我们必须设计保护电路以确保操作员安全。欠压锁定 (UVLO) 和过压保护 (OVP) 等常见保护功能可确保电池不会放电过深或过度充电。峰值电感电流限制有助于保护每个电源相位免于过载和电感饱和。在双电池汽车设置中，还需要断路器来断开 48V 和 12V 电源轨之间的任何电气连接。监控电路还有助于扩展安全功能。例如，在能量传输期间，监控每个通道中的电流可以指示是否或何时发生故障情况。

数控 DC/DC 转换器是一种可能的解决方案，但这种方法有几个主要缺点。

首先，需要大量分立元件：每个相位的电流检测放大器、功率 MOSFET 栅极驱动器、保护电路和监控电路每个元件都将占用印刷电路板 (PCB) 上宝贵的空间。

其次，需要高端微控制器来实现转换器的电流和电压控制回路。

第三，微控制器还会在保护电路中引入延迟，这会在高功率水平下造成灾难性的损坏。

第四，第四，数字控制的设计周期可能是数年。我们必须对开关电源和数字控制有深入的了解。话虽如此，还有一些额外的好处。

第五，从系统层面来看，数字控制可以更加灵活，允许控制方案参数和调节电压的动态变化。与其他子系统共享信息可提高整体系统性能。

LM5170-Q1控制器为汽车类48V和12V双电池系统的双通道双向转换器提供必要的高电压和精密元器件。可按照DIR输入信号指定的方向调节高压和低压端口间的平均电流。电流调节水平可通过模拟或数字PWM输入以编程方式设定。

双通道差分电流感测传感器和专用通道电流监测计可实现1％的典型电流精度。稳定的5A半桥栅极驱动器能够驱动功率不低于500W /通道的并联金属氧化物半导体场效应应晶体管（MOSFET）开关。同步整流器的二极管仿真模式可避免出现负向电流，但也支持通过非连续操作模式提升轻载效率。多用途保护功能包括逐周期电流限制，HV和LV端口过压保护，MOSFET故障检测和过热保护。