汽車工業(yè)的電氣化正在以不斷增長(zhǎng)的速度發(fā)展，主要驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于政府頒布的關(guān)于二氧化碳（CO2）的減排標(biāo)準(zhǔn)。

歐盟制定的目標(biāo)是到 2020 年新車排放量?jī)H有 95g/km。

中國(guó)等其它國(guó)家也正在制定類似的法規(guī)。

為了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，汽車制造商正在開發(fā)輕型混合動(dòng)力電動(dòng)車輛，使用次級(jí)高壓電池以及標(biāo)準(zhǔn) 12V 汽車電池。

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德國(guó)汽車制造商已開始定義并構(gòu)建基于 48V 電池的系統(tǒng)。

在比傳統(tǒng) 12V 電池更低的電流下，48V 電池可提供更多的功率，同時(shí)節(jié)省線束重量，且不會(huì)影響性能。

在這種發(fā)展過(guò)程中，LV148 標(biāo)準(zhǔn)已成為雙電池汽車系統(tǒng)的主要出發(fā)點(diǎn)。

雙電池系統(tǒng)的頂層框圖如圖 1 所示。

圖 1：雙電池汽車系統(tǒng)的框圖 ?

建議的系統(tǒng)存在哪些挑戰(zhàn)？如何克服障礙？許多 OEM 系統(tǒng)要求聲明，能量必須可以從 48V 軌道傳輸?shù)?12V 軌道，反之亦然。

若電池放電，則需要雙向電力傳輸來(lái)為電池充電，并且在過(guò)載條件下為相反的電壓軌提供額外電力。

為了在不損壞電池的情況下對(duì)電池充電，控制器必須能夠非常精確地控制充電電流。

在大多數(shù)汽車應(yīng)用中，功率傳輸?shù)淖畲笾挡坏停ǔＬ幱?2kW 至 3kW 的范圍內(nèi)。

兩個(gè)軌道上的電壓變化可能很大。

根據(jù) LV 148 規(guī)范，48V 電源軌通常處于 36V 和 52V 之間，而 12V 電源軌可處在 6V 至 16V 的范圍內(nèi)。

保護(hù)電路還必須存在，用于可能損壞系統(tǒng)的任何故障條件。

憑借這些要求，很明顯，橋接 48V 和 12V 電壓軌所需的 DC / DC 轉(zhuǎn)換器并非一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

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能意識(shí) 48V 電源軌和 12V 電源軌的電壓范圍不會(huì)重疊那么設(shè)計(jì)復(fù)雜性就大大降低了。

對(duì)于從 48V 電源軌到 12V 電源軌的電源傳輸，可以使用降壓轉(zhuǎn)換器，而使用升壓轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn) 12V 至 48V 電源軌方向的電源傳輸。

由于千瓦級(jí)功率要求，每個(gè)轉(zhuǎn)換器應(yīng)使用同步 MOSFET 代替續(xù)流二極管，以提高系統(tǒng)效率。

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降壓和升壓拓?fù)湓陔娏﹄娮又惺潜娝苤模窃O(shè)計(jì)兩個(gè)單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器將占用寶貴的電路板空間，并增加系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

仔細(xì)觀察這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看出，降壓和升壓轉(zhuǎn)換器的功率鏈非常相似。

兩個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由至少兩個(gè)功率 MOSFET、一個(gè)電感器和一定量的輸出電容組成。

拓?fù)渲g的區(qū)別是控制器。

在降壓拓?fù)渲校芸亻_關(guān)是高側(cè) MOSFET；而在升壓拓?fù)渲校堑蛡?cè) MOSFET。

通過(guò)簡(jiǎn)單地改變受控開關(guān)，假設(shè)您選擇了正確的控制器，可在使用相同的動(dòng)力傳動(dòng)系部件的同時(shí)改變電感器中的電流流動(dòng)方向。

圖 2 所示為從兩個(gè)轉(zhuǎn)換器解決方案到單個(gè)轉(zhuǎn)換器解決方案的演變過(guò)程。

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圖 2：?jiǎn)慰刂破麟p向轉(zhuǎn)換器的演變過(guò)程 ?

雖然同步開關(guān)對(duì)于高電流設(shè)計(jì)很有必要，但它并非對(duì)所有障礙物有效。

在 2kW 的功率下，12V 電源軌將導(dǎo)通約 166A。

快速查看這些內(nèi)容，您會(huì)發(fā)現(xiàn)，您將需要多相操作來(lái)在實(shí)際操作中實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)計(jì)。

通過(guò)使用多相架構(gòu)，可以減少組件的物理尺寸，并使熱管理變得更加容易。

為了更容易地并聯(lián)每個(gè)電源相位，降壓或升壓模式操作中的控制方案應(yīng)該是電流模式控制。

多相操作還允許每個(gè)相位的交錯(cuò)切換。

在每個(gè)時(shí)間不切換每個(gè)相位可減少輸出紋波，這又有助于減少電磁干擾（EMI）。

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在所有系統(tǒng)中，您必須設(shè)計(jì)用于操作員安全的保護(hù)電路。

常見的保護(hù)功能，如欠壓鎖定（UVLO）和過(guò)壓保護(hù)（OVP），確保電池不會(huì)充電過(guò)猛或過(guò)度充電。

峰值電感器電流限制有助于防止每個(gè)電源相承受過(guò)大應(yīng)力，并使電感器飽和。

在雙電池汽車設(shè)置中，還需要斷路器來(lái)斷開 48V 和 12V 軌道之間的任何電連接。

監(jiān)控電路還可以幫助擴(kuò)展安全功能。

例如，在能量傳輸期間，監(jiān)視每個(gè)通道中的電流可以指示是否或何時(shí)發(fā)生故障狀況。

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數(shù)字控制 DC / DC 轉(zhuǎn)換器是一種可能的解決方案，但是該方法存在幾個(gè)主要缺點(diǎn)。

首先，需要大量的分立元件：每相的電流檢測(cè)放大器、功率 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器、保護(hù)電路和監(jiān)控電路。

每個(gè)元件將占用印刷電路板（PCB）上的寶貴空間。

第二，需要高端微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的電流和電壓控制環(huán)路。

第三，微控制器還在保護(hù)電路中引入延遲，這可能在高功率水平下引起災(zāi)難性損壞。

第四，數(shù)字控制的設(shè)計(jì)周期可以是幾年的數(shù)量級(jí)。

您必須深入了解開關(guān)電源和數(shù)字控制。

話雖這么講，但還有一些額外的優(yōu)點(diǎn)。

從系統(tǒng)級(jí)來(lái)看，數(shù)字控制可以更加靈活，允許控制方案參數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的動(dòng)態(tài)變化。

與其它子系統(tǒng)共享信息可提高總體系統(tǒng)性能。

TI 的 LM5170-Q1 同步雙相雙向降壓 / 升壓控制器解決了許多這些挑戰(zhàn)。

集成電流檢測(cè)放大器、高電流柵極驅(qū)動(dòng)器和系統(tǒng)保護(hù)功能（包括集成斷路器和通道電流監(jiān)控）消除了數(shù)字解決方案中所需的許多分立元件。

并行堆疊多個(gè)控制器可交付千瓦功率，同時(shí)通過(guò) LM5170-Q1 專有的平均電流模式控制方案優(yōu)化電流充電電池的控制。

閱讀博文“選擇雙向轉(zhuǎn)換器控制方案”，了解 TI 的平均電流模式控制方法與常規(guī)控制方案的對(duì)比情況如何。

橋接 48V 電池和 12V 電池很復(fù)雜，但若仔細(xì)考慮各個(gè)步驟，也是有可能實(shí)現(xiàn)的。