日益嚴(yán)格的汽車燃油排放標(biāo)準(zhǔn)正變得越來越具有挑戰(zhàn)性。汽油發(fā)動機(jī)需要電動機(jī)的幫助才能滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致引入具有更高電池電壓的輕度混合動力電動汽車（MHEV）。48V混合動力車今天正在生產(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行，有助于滿足這些標(biāo)準(zhǔn)。

介紹

您的汽車可能已經(jīng)到了最后一站，而您正在市場上購買一輛新車。您是否正在考慮另一輛汽油發(fā)動機(jī)汽車、全電動汽車 （EV） 或介于兩者之間？有這么多類型的混合動力車可供選擇，例如全混合動力電動汽車 （FHEV）、插電式混合動力電動汽車 （PHEV） 或輕度混合動力電動汽車 （MHEV），有很多選擇可供選擇。感覺有點像點你最喜歡的拿鐵口味，不是嗎？

汽車發(fā)動機(jī)的軌跡從汽油發(fā)動機(jī)開始，到電動機(jī)結(jié)束。這一巨大轉(zhuǎn)變背后的力量是必須滿足越來越嚴(yán)格的燃料排放法規(guī)。目前，汽油發(fā)動機(jī)使用電動機(jī)來幫助啟停和再生制動應(yīng)用，但其使用最終會消失。我們預(yù)計20年后汽車將是全電動的。

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

在本設(shè)計解決方案中，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 皮帶起動發(fā)電機(jī) （BSG） 通過用輔助動力總成的單個裝置取代傳統(tǒng)汽車的交流發(fā)電機(jī)和起動電機(jī)來提高效率（圖 2）。

在制動過程中，能量從內(nèi)燃機(jī)流向48V電池。發(fā)動機(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)動器供電，從而為 BSG 提供適當(dāng)?shù)倪\動順序。

BSG在怠速停止時啟動發(fā)動機(jī)，提供扭矩提升以提高加速性能，并在制動時為電池充電。48V 電池還可以為風(fēng)扇、泵、電動助力轉(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，減少了汽車的電線損耗、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)動車輛中的電氣和電子元件 48V 車載電源”建議，電池在 36V 和 52V 之間具有無限電壓工作范圍，并允許 20V 和 60V 之間的有限工作模式和高達(dá) 70V 的動態(tài)過壓。最大工作電壓（60V）是人類操作員安全的最大允許接觸電壓，因此系統(tǒng)不會被歸類為具有電擊風(fēng)險的“高壓”。

48V 降壓轉(zhuǎn)換器魯棒性

如上所述，48V降壓轉(zhuǎn)換器可能會受到高達(dá)70V的電壓尖峰的影響，持續(xù)時間長達(dá)40ms，這是很長一段時間的電應(yīng)力。在此限制或超過此限制的情況下操作可能會永久損壞設(shè)備。因此，降壓轉(zhuǎn)換器輸入電壓的絕對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環(huán)境，并防止電磁干擾（EMI）。因此，48V降壓轉(zhuǎn)換器必須滿足CISPR25 5類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)射測試期間的尖峰。固定和可調(diào)頻率允許設(shè)計工程師將濾波集中在特定頻率上，以幫助通過EMI測試。相比之下，恒定導(dǎo)通時間架構(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

汽車有幾十個電子控制單元（ECU）。典型的ECU電源管理架構(gòu)如圖3所示。48V 與一個堅固耐用的前端降壓轉(zhuǎn)換器接口，可承受電池的靜態(tài)和動態(tài)電壓條件，進(jìn)而幫助為各種柵極驅(qū)動器供電，以實現(xiàn) 16 至 20V 的電機(jī)控制外，同時還為 MCU 提供備用電源，以防 12V 電池斷開。

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關(guān)損耗

，這個問題可以通過降低工作頻率（f）和采用具有更小最小特性和更低寄生電容（C）的先進(jìn)工藝來緩解。此外，控制技術(shù)必須適合在低占空比下運行。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%的時間，而低邊晶體管導(dǎo)通67%的時間。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 的絕對最大額定值為 80V，工作條件為 8V 與 72V，電池動態(tài)過壓建議為 10V 與 70V。

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

V在= 14V 至 72V

V外= 12V

0A 負(fù)載 400kHz，脈寬調(diào)制

圖4.瞬態(tài)過壓測試。

該 IC 還根據(jù) EMI CISPR25 5 類規(guī)范進(jìn)行了電磁輻射測試。例如，圖5顯示了使用200MHz至1GHz對數(shù)周期（水平）天線執(zhí)行的眾多EMI測試之一。IC的發(fā)射水平遠(yuǎn)低于極限。

圖5.符合 EMI CISPR25 5 類規(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)面可潤濕 TDFN 封裝，帶有用于散熱的裸露焊盤。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，適用于對開關(guān)頻率敏感的應(yīng)用。因此，輕負(fù)載時的開關(guān)損耗更高，MAX20059在48V電壓下>可實現(xiàn)90%的峰值效率。在至 16V外.

圖7.48在至 16V外400kHz時的降壓轉(zhuǎn)換器效率。

結(jié)論

汽車環(huán)境正在經(jīng)歷史詩般的轉(zhuǎn)變。由于燃料排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，汽油發(fā)動機(jī)處于下降拋物線上，最終將以全電動汽車結(jié)束。與此同時，像48V MHEV這樣的混合實現(xiàn)正在激增。我們重點介紹了設(shè)計在惡劣的48V汽車環(huán)境中運行的穩(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)換器對輸入電壓靜態(tài)和動態(tài)變化具有高容差、低EMI和高效率。

審核編輯：郭婷