确定汽车DC-DC转换器的关键元件
发布日期:2022-08-13
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在广阔的汽车电子领域，动力系统起着至关重要的作用，尤其是在配备启停系统的汽车中。该系统越来越多地嵌入汽车中，允许发动机在交通停车、红绿灯和等待行程的所有情况下自动关闭和重新启动。在电机重启阶段，会出现高电流峰值，导致 12 V 的电源电压降到一半。
这样做的后果是车载电子设备，如汽车收音机、导航设备、制冷系统、通风系统等，可能会出现严重故障，甚至损坏电子元件。大功率 DC-DC 转换器的控制单元 (ECU) 专为克服这个问题而设计，可在电机重启阶段稳定 12 V 电源。
DC-DC 转换器起主要作用，也用于不同类型的应用，例如混合动力汽车（HEV，Hybrid Electric Vehicle）。DC/DC 转换器的优化和选择在车辆电源管理中起着至关重要的作用，这是由一组必须满足的效率要求驱动的。
DC-DC 转换器的效率
在评估 DC-DC 转换器的效率时，显着导致效率降低的系统损耗起着重要作用。有两种类型涉及系统损耗分析：由电感器中的峰值电流引起的损耗和由转换器电路的充电和放电阶段引起的所谓开关损耗。关于电感器中峰值电流引起的损耗，可以确定两个泄漏元件，一个与导通期间 ON-OFF 开关 FET 的漏源电阻有关，另一个与电感器的直流电阻有关。此外，在电感器的放电阶段，会发生与放电电流成正比的功率损耗。开关损耗或动态特性主要由电路的电容效应引起。特别是，必须考虑 FET 和二极管的漏源寄生开关容量。另一种损耗是由电感器磁芯损耗引起的能量损耗，与开关频率成正比；事实上，频率的增加伴随着电感器磁芯损耗的增加。这种类型的泄漏是由于芯的材料和尺寸造成的。
通过仔细选择元件和精心设计印刷电路板来减少寄生元件，从而实现减少能量损失的优化。提高效率的一种方法是通过降低有源元件和电感器的电阻损耗来减少流入电感器的电流。
许多 ADAS 系统使用 5V 和 3.3V 线路为其内部的许多模拟和数字组件供电；同样，这些系统的制造商更喜欢在单电池和双电池配置中使用单个转换器。在当今的 ADAS 系统中，开关稳压器还必须能够切换到 2MHz 或更高的频率，而不是依赖低于 500kHz 的规范开关频率。这种变化的主要原因是需要更小的解决方案，同时保持在 AM 频带频率之上，以避免潜在干扰。
集成电路解决方案
LT8645S 是一款同步单片降压转换器，适用于具有低 EMI 辐射水平的高输入电压。其 3.4V 至 65V 的输入电压范围使其成为汽车领域应用的理想选择，包括必须在冷启动和停止启动情况下保持稳压的 ADAS 系统，输入电压最低为 3.4V 和超过 60V 的负载突降瞬变（图 1）。
图 1：LT8645S 的典型应用电路 [来源：Analog Devices]
ROHM提供BD9S系列（BD9S400MUF-C、BD9S300MUF-C、BD9S200MUF-C、BD9S100NUX-C、BD9S000NUX-C）。它是一系列用于汽车领域的二次侧同步DC/DC降压转换器，具有出色的可靠性和低功耗，外形紧凑。
BD9S系列由非常紧凑的电源电路组成，其中包括调节启动时间的使能功能，以及优化系统功能安全的PGOOD输出指示器。这一广泛的产品线支持 0.6 至 4.0 A 的输出电流（图 2）。
图2：ROHM Semiconductor BD9S系列典型应用电路【来源：ROHM Semiconductor】
赛普拉斯的 S6BP20x 系列（S6BP201A、S6BP202A 和 S6BP203A）是适用于汽车和工业应用的单通道升降压 DC/DC 转换器。它们是车身控制�？�、仪表盘和 ADAS 等汽车应用的理想选择。这些 PMIC 具有低待机电流，并在很宽的输入电压范围内提供稳定的电力传输。
赛普拉斯独特的降压-升压技术通过消除用于滤波输入的笨重且昂贵的电解电容器，使您能够设计更小的 PMIC 系统。这种较小的设计使您可以创建一个小型、经济且高效的节能解决方案（图 3）。
图 3：S6BP201A 的框图
双向 DC-DC
汽车行业，尤其是在最近混合动力和电动汽车的创新推动之后，除了传统的 12 V 原电池外，还需要使用由多个电池组成的电力系统。此外，电力再生系统的使用需要双向电力传输（从电池到用户，反之亦然）。
启动和停止系统等降低燃料消耗的装置的引入需要使用两个电池供电系统。传统而熟悉的 12 V 铅酸电池，两侧是 48 V 锂电池以启动发动机。因此，需要根据整个系统的特定需求在两个电池之间双向传输电力。
单个瑞萨 ISL78226 设备可提供高达 3.75 kW 的最大功率，转换效率超过 95%，并且还能够集成到�？榛�/从架构中以提供更高的功率。这种创新设计使设计人员能够支持 48 V 混合动力传动系统的快速采用，该系统可减少轻度混合动力汽车中使用的排放和燃料消耗，在这种汽车中，电动机连接到内燃机燃烧（图 4）。
图 4：ISL78226 的典型应用示意图[来源：瑞萨电子]
结论
混合动力汽车和电动汽车的日益普及需要使用双电池供电系统。不仅如此，即使在配备内燃机的传统车辆中，近年来对电力的需求也在不断增加，这是为安装在车辆上的众多电子设备和附件供电所必需的。
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