DKK | EUR | USD

Brug specialiserede strøm-konvertere til at bygge bro over kløften mellem dual 12 V og 48 V i automotive systemer

Af Steven Keeping

Bidraget af Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Med den ekstra elektronik, motorer og aktuatorer, der i stigende grad tilføjes til interne køretøjer med forbrændingsmotor (ICE), afslører det konventionelle elektriske system med lukket kredsløb 12 V baseret på et bly-syre batteri, der oplades af generatoren, sine begrænsninger. Når du f.eks. bruger et 12 V system, trækker applikationer med høj effekt, såsom elektrisk styring en høj strøm, hvilket kræver større og tungere ledningsnet. Den ekstra vægt bliver betydelig i et moderne køretøj, der kan have flere kilometer ledninger.

En alternativ tilgang anvender højere spænding-systemer til de strøm-hungrende applikationer, for at sænke det høje forbrug af strøm og give mulighed for lettere ledningsnet. Kommercielle implementeringer har et konventionelt 12 V system, suppleret med et 48 V system baseret på Li-ion batterier. 12 V systemet bruges til applikationer som motorstyring, belysning, sæde- og dørjustering, mens 48 V systemet tager højde for tunge krav fra funktioner som elektrisk styring, start og HVAC.

Disse hybride automotive elektriske systemer giver øget kompleksitet og dermed nye designudfordringer. Nøglen blandt disse udfordringer er styringen af den samtidige opladning og afladning af de to batterikredsløb, inklusive bidirektionel step-down (buck) og step-up (boost) mellem batterierne.

Denne artikel beskriver udviklingen af dual 12/48 V elektriske automotive systemer og forklarer fordelene ved de nye systemer. Derefter undersøger vi, hvordan man bruger 12/48 V bidirektionelle spændingsregulatorer fra Linear Technology og Texas Instruments for at lette kompleksitet i design af dual spændings-systemer. Artiklen overvejer også fordelene ved en fremtidig 48-V decentral køretøjstopologi og ser på en bus-konverter fra Vicor som er velegnet til et sådant system.

Udfordringen ved at skifte til 12/48 V design

Overgangen til 12/48 V systemer fremmes stort set af et behov for at benytte enheder med højt strømforbrug, samtidig med at det sikrer, at køretøjet stadig opfylder de strenge regler for økonomi og emissioner. For eksempel: Skiftet fra mekanisk til elektrisk styring af enheder som styretøj eller superladere medføre et dramatisk reduktion i friktion og forbedre brændstof økonomien. Ifølge nogle bilproducenter resulterer et 48 V elektrisk system i en 10 til 15 procent gevinst i brændstoføkonomi med en forholdsmæssig reduktion i skadelige emissioner. Systemet på 12 V er fortsat nødvendigt på grund af den store volumen af gamle 12 V enheder, der vil blive benyttet i køretøjer i mange år endnu.

12/48 V konfigurationen består af to separate grene: Den traditionelle 12 V bus bruger et konventionelt bly-syre batteri til konventionelle belastninger, mens 48 V systemet, drevet af et Li-ion batteri, understøtter de tungere belastninger. Mens der er behov for to separate opladningskredsløb, der passer til de respektive batteriers elektrokemi, skal der være en mekanisme, der tillader ladning at bevæge sig mellem dem uden fare for skade på hverken batteri eller et af de systemer, de fører strøm til. Der skal også være en mekanisme, der giver ekstra strøm til den modsatte spændings-skinne i et tilfælde af overbelastning.

En nyligt foreslået automotive standard, LV 148, beskriver kombinationen af 48 V bussen med det eksisterende 12V system til køretøjer. 48 V systemet indeholder en integreret startgenerator (ISG) eller remstartgenerator og Li-ion batteriet. Systemet er i stand til at levere adskillige kilowatt (kW) og er målrettet mod konventionelle biler såvel som hybridelektriske og milde hybridbiler.

At designe et 12/48 V system er udfordrende, fordi det kræver omhyggelig styring af kraftoverførslen fra køretøjets 48 V skinne til dets 12 V skinne og tilbage. Én mulighed er at bruge en buck-konverter til spændings step-down, mens strømoverførsel i den modsatte retning kan leveres med en boost-konverter. Men design i separate DC/DC-konvertere tager værdifuld kortplads og øger systemets omkostninger og kompleksitet.

En alternativ fremgangsmåde er at bruge en enkelt, bidirektionel buck/boost DC/DC-konverter, placeret mellem 12 og 48 V batterier. En sådan konverter kan bruges til enten at oplade batterierne eller tillade dem at levere strøm til køretøjets forskellige elektriske belastninger (figur 1).

Diagram over en bidirektionel strømforsyningFigur 1: En bidirektionel strømforsyning kan bruges til at styre strøm mellem 12 V og 48 V kredsløb i automotive elektriske systemer. (Billedkilde: Texas Instruments)

Enheder til bidirektionel strømstyring

Komponenter til strømstyring til 12/48 V systemer er designet til at opfylde LV 148-standarden. Dette stiller store overspændings krav til chippene. Standarden gør det muligt for den maksimale spænding på en 48 V skinne at nå op til 70 V i mindst 40 millisekunder (ms), og for at systemet kan forblive funktionelt uden tab af ydeevne under en sådan overspænding hændelse. For leverandører af halvledere betyder dette, at alt, der er tilsluttet køretøjets 48 V skinne, skal modstå 70 V ved indgangen (plus en sikkerhedsmargin, der tager det samlede krav op til 100 V).

Linear Technology's LT8228er en 100 V bidirektionel konstant strøm eller konstant spænding synkron buck- eller boost-controller (se Digi-Key tekniske artikel, Spænding- og strømtilstandskontrol til PWM-signalgenerering i DC/DC-switchregulator) med et uafhængigt netværk til kompensation er et eksempel på en bidirektionel strømforsyning, designet til at opfylde LV 148-specifikationerne.

Controlleren tager to indgange: V1, en 24 til 54 V forsyning fra Li-ion batteriet; og V2, en 14 V indgang fra bly-syre batteriet (figur 2). Udgangene er 48 V ved 10 ampere (A) i boost-tilstand og 14 V ved 40 A i buck-tilstand. Chippen kan modstå 100 V på både indgange og udgange. Driftstilstand styres eksternt fra en mikrokontroller gennem DRXN-benet eller vælges automatisk.

Diagram over Linear Technology's LT8228 bidirektionelle strømforsyningFigur 2: Linear Technology LT8228 bidirektionelle strømforsyning tilbyder op til 100 V boost eller buck spændings og opfylder LV 148 specifikationer. (Billedkilde: Linear Technology)

Input og output MOSFET'er beskytter mod negative spænding, styrer indkoblingsstrøm og giver isolering mellem klemmer under fejlforhold, såsom at swiching MOSFET-kortslutninger. I buck-tilstand beskytter MOSFET'er ved V1 (24 V til 54 V input) terminalen mod revers strøm. I boost-tilstand regulerer de samme MOSFET'er output indkoblingsstrøm og beskytter sig selv med en justerbar timerafbryder. Intern og ekstern fejldiagnostik og rapportering er tilgængelig via dedikerede ben.

Texas Instruments (TI) tilbyder også en LV 148-kompatibel høj performance, dual-kanals bidirektionel strømstyring, LM5170. Enheden styrer den aktuelle overførsel mellem en HV-port (høj spænding-port), der er tilsluttet 48 V Li-ion batteri og en LV-port (lav spænding-port), der er tilsluttet 12 V bly-syre batteri. Uafhængige aktiveringssignaler aktiverer hver kanal på dual-controlleren.

Dual-kanalens differentielle strømforstærkere og dedikerede kanalstrøm monitorer opnår typisk en nøjagtighed på 1 procent. Robuste 5 A-enheder med halvbro gate-drivere er i stand til at kontrollere parallelle MOSFET-afbrydere, der leverer 500 watt eller mere pr. Kanal. Controlleren kan arbejde i diskontinuerlig drift for at forbedre effektiviteten under lette belastningsforhold (se Digi-Key tekniske artikel, Forskellen mellem at switchregulators kontinuerlige og diskontinuerlige tilstande, og hvorfor det er vigtigt) og det forhindrer også negativ strøm. Beskyttelsesfunktioner inkluderer cyklus-efter-cyklus peak-strømgrænse, overspændings-beskyttelse af både 48 og 12 V batteri skinner, detektion og beskyttelse af MOSFET-switchfejl og beskyttelse mod overtemperatur.

LM5170 bruger avg. strømtilstandskontrol, hvilket forenkler kompensation ved at fjerne nul i det højre halvdel i boost-driftstilstanden og ved at opretholde en konstant loop-forstærkning uanset driftspænding og belastningsniveau.

Linear Technology og TI bidirektionelle strømstyrings-enheder inkluderer funktioner, der gør design af kredsløb til strømstyring i dobbelt 12/48 V automotiv elektronik enklere. For eksempel tillader komponenterne brug af de samme eksterne strømkomponenter, uanset om du øger spændingn fra det ene batteri eller buck'er spændingen fra det andet. Dette sparer plads og omkostninger og letter kompleksiteten af kredsløbet. Ikke desto mindre skal valget af disse eksterne komponenter foretages omhyggeligt.

Design af applikations kredsløb

Valg af ekstern komponent, når du bruger LT8228 (såvel som TI-enheden) følger typisk hvad der anses for god skik for design af switchregulator. For eksempel vælges switch-frekvens (fSW) og induktorværdi (L) med henblik på at optimere effektivitet, fysisk størrelse og omkostninger. Ligeledes er induktorens nuværende detektormodstand, RSNS2sammen med dens modstand til indgangsforstærkning, RIN2, valgt til maksimal grænse for induktionsstrøm, effektivitet og nøjagtighed af strømdetektion (figur 3).

Blokdiagram over Linear Technology LT8228 (klik for at forstørre)Figur 3: Blokdiagram over Linear Technology LT8228, der viser de eksterne komponenter, der kræves til en typisk applikation. (Billedkilde: Linear Technology)

Kondensator CDM2 vælges for at begrænse buck-input og øge output ripple-spænding; på lignende måde er kondensator CDM4 valgt for at begrænse boost-input og buck output ripple-spænding. Kondensator CDM1 ved V1D-benet bruges til at bypasse støj. Dæmpnings kondensatorerne CV1 og CV2 vælges med deres ækvivalente seriemodstand (ESR)-værdi og er designet til at reducere resonans på grund af seriekabelinduktans henholdsvis forbundet til V1 og V2.

Kompensationerne for buck og boost reguleringssløjfer vælges for at optimere båndbredde og stabilitet. Se Digi-Key tekniske artikler for mere om design med switching spændingregulatorer og -controllere: Design trade-offs, når du vælger en switchregulator til højfrekvens, Forståelse af switchregulator styrekredsløb og Brug switchregulatorer med lav EMI til at optimere høj-effektive strøm designs.

Efter valg af komponenter for at imødekomme gode designprincipper for et design af switchregulator er der nogle komponentvalg, der specifikt kræves for at imødekomme kravene i en bidirektionel 12/48 V automotive applikation.

F.eks. LT8228'ens buck-output strømgrænse øger grænse for indgangsstrøm og V2 den aktuelle monitor indstilles af RSET2P, RSET2N og RMON2 modstande. Derefter vælges V1 strømforstand modstand RSNS1 (øverst til venstre i diagrammet) sammen med dens modstand til indgangsforstærkning RIN1 med henblik på at optimere effektiviteten og nøjagtigheden af den aktuelle detektering.

LT8228 bruger den samme induktor til både buck- og boost-drift. I buck-tilstand er induktionsstrømmen V2-udgangsstrømmen, og i boost-tilstand er induktionsstrømmen V2-indgangsstrømmen. Maksimal induktionsstrøm i hver tilstand kan beregnes ud fra ligning 1 og 2:

Ligning 1 og 2 Ligninger 1 og 2

Hvor:

ƒ = switch-frekvens

L = valgt induktorværdi

IV2P (LIM) = buck-tilstand V2 grænse for udgangsstrøm

IV2N (LIM) = boost-tilstand V2 grænse for indgangsstrøm

Peak-induktionsstrømmen skal være mindst 20 til 30 procent over den højeste maksimale induktionsstrøm i buck- og boost-tilstande. Dette sikrer, at den maksimale gennemsnitlige strømregulering ikke påvirkes af den maksimale grænse for induktionsstrøm i nogen af driftsformerne. Induktorstrømmen registreres ved hjælp af RSNS2 som placeres i serie med induktoren. Peak-induktionsstrømmen IL (PEAK) registreres når ICSA2 når 72,5 uA (typisk).

Høj RSNS2 (øverste højre) værdier forbedrer den aktuelle nøjagtighed, mens lav RSNS2 værdier forbedrer effektiviteten. Designeren skal vælge værdien af RSNS2 således at den input-refererede forskydning spænding af CSA2 ikke påvirker strøm detekterings nøjagtighed, mens den minimerer effekttab over induktoren. En anbefalet spænding på tværs af RSNS2 ved peak-induktorstrøm er mellem 50 og 200 mV.

Derefter skal designeren vælge RIN2 til at indstille grænsen for peak-induktionsstrøm i henhold til følgende formel:

Ligning 3 Ligning 3

Efter at have indstillet den maksimale grænse for induktionsstrøm skal grænse for boost-udgangsstrøm, grænse for buck-indgangsstrøm og V1 strøm monitor indstilles af RSET1N, RSET1P og RMON1 modstandene. Kondensatorer parallelt med RSET modstande vælges til at indstille strømgrænserne til gennemsnitsstrømmen for de aktuelle detektor-modstande.

Reguleringen spændings og overspændings-tærskler for V1D (den regulerede udgang i boost-tilstand) og V2D (reguleret output i buck-tilstand) indstilles ved at vælge resistive dividere til FB1- og FB2-benene. Tærsklen for underspænding for V1 og V2 er indstillet ved at vælge de resistive dividere til UV1- og UV2-benene.

Det eksterne kredsløb på LT8228 kræver også seks effekt-MOSFETS (figur 4). Disse skal vælges ud fra effektivitet og hensyn til breakdown-spænding. De ledsagende Schottky-dioder (D2 og D3) er valgfri og bør vælges ud fra hensyn til effektivitet.

Diagram over Linear Technology LT8228 der kræver seks eksterne N-kanals MOSFET'erFigur 4: LT8228 kræver seks eksterne N-kanals MOSFET'er: V1 beskyttelse MOSFETs M1A og M1B, V2 beskyttelse MOSFET'er M4A og M4B, switching-top MOSFET M2 og switching-bund MOSFET M3. (Billedkilde: Linear Technology)

Når LT8228 arbejder i buck-tilstand er switching af MOSFET M2 master-switch og MOSFET M3 er den synkrone switch; V1D (den knude, der skal reguleres af boost-regulatoren og placeret lige over og til venstre for DG1-controlleren i figur 3) er input spænding og V2D (den knude, der skal reguleres af buck-konverteren, øverst til højre i figur 3 - til venstre for buck-MOSFET'er) er den regulerede buck output-spænding. I boost-tilstand vendes situationen med M3, der fungerer som master-switch og M2 som synkron-switch med V2D som input-spænding og V1D som output-spænding.

I løbet af slukningstiden er begge koblinger af MOSFET'er, M2 og M3, udsat for maksimal indgangs-spænding (plus eventuel yderligere indsvingning på switch-noden) over deres dræn til kilde. Dette er den vigtigste parameter, når du vælger switch MOSFET'er i applikationer med høj spænding til breakdown-spænding (BVDSS).

Designeren skal også overveje MOSFET'ernes strømafledning. Overdreven spredning påvirker systemeffektiviteten og kan overophedes og beskadige MOSFET'erne. De vigtigste parametre ved bestemmelse af effekttab er on-modstanden (RDS (ON)), input-spænding, output-spænding, maksimal udgangsstrøm og Miller kapacitans (CMILLER).

Fjernelse af 12 V batteriet

Modenheden og pålideligheden af 12 V bly-syre batteribaserede systemer betyder, at de ikke forsvinder med det samme. Men automotive producenter arbejder allerede med systemer til nye køretøjer, hvor alt benytter 48 V (bruger batterier, der leverer alt fra 48 til 800 V). Sådanne systemer anvender bidirektionelle-konvertere, der ikke er isolering og som er i stand til at håndtere flere kilowatt strøm. Disse kan tilvejebringe strøm til både konventionelle 12 V elektriske apparater og de højere spændings-enheder.

Et eksempel på en sådan konverter er Vicor's NBM2317S60E1560T0R; en højeffektiv konverter, der ikke er isoleret, og fungerer fra en 38 V til 60 V høj-side spænding-bus for at levere en lav-side spænding fra 9,5 V til 15 V. Enheden tilbyder en maksimal kontinuerlig udgangseffekt på 800 W med op til 1 kW peak-effektkapacitet. I buck-drift er udgangsstrømmen 60 A kontinuerlig og 100 A transient; I boost-drift er tallene 15 A kontinuerlig og 25 A kortvarige. Enhedens effekttæthed er 274 watt/cm3. Peak-effektivitet er specificeret som 97,9 procent.

Enheden måler 23 x 17 x 7,5 millimeter (mm) og optager mindre plads end langsommere switch-løsninger (sub 1 megahertz (MHz)). Antallet af nødvendige eksterne komponenter reduceres, fordi konverteren ikke kræver nogen eksterne filtre eller bulk-kondensatorer. Der er heller ikke noget krav til hot-swap eller hastighedsbegrænsning.

En centraliseret topologi er en måde at implementere en 12/48 V arkitektur, der er drevet fra et enkelt 48 V batteri. Denne topologi bygger på en bidirektionel konverter med stor kapacitet. Et sådant system har adskillige ulemper, herunder udfordringer til termiske styring, manglende indbygget redundans,omkostninger og vægt af udvidede ledningsnet der kræves til applikationer med lav spænding (12 V)/højstrøm.

Vicor-enheden er designet til at løse disse problemer ved at lette en decentral arkitektur til et 12/48 V elektrisk system. Redundans er indbygget ved hjælp af flere konvertere, og 12 V ledningsnet kan forkortes og dermed gøres meget lettere. Derudover lettes udfordringen med den termiske styring betydeligt. For eksempel: I et centraliseret system, vil en enkelt konverter, der leverer 3 kW effekt og kører med 95 procent effektivitet, have behov for at aflede 150 watt, som varme. Til sammenligning ville hver af konvertere i et distribueret system, der omfatter fire enheder, der producerer 750 watt ved 95 procent effektivitet, aflede 37,5 watt. Mens de samlede tab forbliver de samme, nedsættes temperaturen på hver konverter markant (figur 5).

Diagram over Vicor's NBM2317S60E1560T0R højeffektiv DC/DC-konverterFigur 5: Højeffektiv DC/DC-konvertere, såsom Vicor's NBM2317S60E1560T0R, muliggør et 12/48 V automotive elektrisk system, drevet fra et enkelt 48 V batteri. I den decentrale topologi, der er vist her, lettes udfordringer med termiske styring og 12 V ledninger holdes korte, hvilket reducerer vægten. (Billedkilde: Vicor)

Vicor har gjort livet lettere for designere, der ønsker at eksperimentere med 12/48 V systemdesign ved at introducere NBM2317D60E1560T0R evalueringskort for sine NBM2317-linie IC'er. Kortet leveres forudkonfigureret i en buck-topologi med en 38 V til 60 V input og en enkelt 13,5 V output, der ikke er isoleret.

Konklusion

Når elektriske systemer i moderne køretøjer spredes, knækker det traditionelle 12 V elektriske system under for belastningen. Introduktionen af et 48 V alternativ system giver højere effekt til at betjene systemer som elektrisk styring og superladning, mens vægten og omkostningerne ved ledningsnettet reduceres.

Det er imidlertid upraktisk at skifte til et enkelt 48 V system på kort sigt pga. mængden af 12 V produkter, der stadig bruges i køretøjer. Løsningen er at køre 12 V og 48 V systemer sammen, hver med deres eget batteri.

Styring af strømmen og opladningen af disse forskellige spændings-systemer kan være kompleks, hvis der bruges separate DC/DC-konvertere. Indførelsen af bidirektionel DC/DC-konvertere, der kan fungere som en bro mellem 12 og 48 V systemerne, forenkler design, sænker omkostningerne og tilskynder til anvendelse i billigere biler.

Anbefalet læsning:

  1. Spænding- og strømtilstandskontrol til PWM-signalgenerering i DC/DC-switchregulator
  2. Forskellen mellem at switchregulatorers kontinuerlige og diskontinuerlige tilstand, og hvorfor det er vigtigt
  3. Design trade-offs, når du vælger en højfrekvens switchregulator
  4. Forståelse af switchingregulator styrekredsløb
  5. Brug switchregulatorer med lav EMI til at optimere effektive design med høj effektivitet

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om denne forfatter

Steven Keeping

Om udgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører