48 V/12 V 雙電池汽車系統用的雙向 DC/DC 控制器

隨著自駕車和汽車連線功能的進步，加上越來越嚴格的燃油效率規範，傳統 12 V 汽車電氣系統已達到使用上限。除此之外，與汽車電氣系統連線的相關應用亦持續增加，電力需求隨之提高，從而帶來了新的挑戰。因此，傳統的 3 kW、12 V 汽車電力系統必須加強。

最近提出的 LV148 汽車標準，要求將既有的 12 V 系統與一個次要的 48 V 匯流排相結合。48 V 電源軌所包含的部分項目如下：

• 皮帶起動發電機或一體式起動發電機 (ISG)
• 48 V 鋰離子電池
• 雙向 DC/DC 轉換器，可透過搭配的 12 V 和 48 V 電池，提供高達 10 kW 的電力

由於汽車製造商努力達成日漸嚴格的 CO₂ 排放目標，此技術瞄準的是油電混合車和傳統的內燃機引擎車輛。

12 V 匯流排將如往常一樣，為照明、車用資訊娛樂、音訊和點火等系統提供電力；包括可調式懸吊系統、電動渦輪／超級增壓器、空調壓縮機、主動底盤，以及再生煞車在內的其他系統，都將由 48 V 匯流排供電。48 V 匯流排也可以支援引擎起動，達到更順暢的怠速熄火操作，預計不久後將在量產車型系列中使用。

使用更高電壓匯流排的另一個好處在於，可以減小電纜截面積，進而縮減尺寸和重量。這點極為重要，因為目前的高階汽車佈線總長度可能超過四公里。

汽車越來越像是裝有輪子的電腦，因此會有許多情況要介接多種隨插即用裝置。由於通勤者每天平均有 9％ 的時間在車上，因此車用資通系統和多媒體的引進，有助於提高生產力，並且提供額外的娛樂。

如上所述，自駕車包含了雷達、光達、感測器、攝影機和電腦等元件，因此是推升電力需求的主因之一。此外，車輛需要更多電能以改善連線功能。車輛不僅要連上網際網路，還要連結交通號誌、其他車輛、建築物和其他結構物。此外，油水幫浦、動力轉向和動力傳動元件終將改用電力驅動，而非機械驅動。

接下來幾年內，許多汽車供應商皆預期，自駕車的技術建構模塊需求將大幅增加。不過，48 V 電池系統的好處現在就可享用。舉例而言，有些汽車製造商就表示，使用 48 V 電氣系統的內燃機引擎，燃油經濟效益可提升 10％ 至 15％。這可進而降低 CO₂ 排放量。

此外，工程師更可在未來使用 48 V/12 V 雙系統的車輛上，整合電氣增強技術。該技術將能夠獨立於引擎負載以外運作，有助於提高加速性能。例如，已高度開發的壓縮機，將置於中間冷卻器和進氣系統之間。此壓縮機將使用 48 V 電力來起轉渦輪。

然而，由於必須額外部署車輛 48 V 電源供應網路，所有供應商都將面臨諸多設計挑戰。比較具體的例子是半導體和電子控制單元 (ECU) 製造商必須重新設計零件，才能讓產品在更高的 48 V 匯流排供電下運作。此外，DC/DC 轉換器供應商必須開發專用 IC，才可處理更高功率的傳輸。為了滿足此需求，Linear Technology 已經提供幾種 DC/DC 轉換器，能相當有效率地處理電能傳輸，不僅節能，又可盡量減少需要的散熱設計。

隨著 12 V/48 V 雙電源汽車系統逐漸成型，雙向降壓和升壓 DC/DC 轉換器的需求已經相當明確。透過此轉換器，可對任一個電池充電，並可在需要時對相同的負載提供電流。許多早期的 12 V/48 V 雙電池 DC/DC 轉換器設計採用不同的電源元件進行升壓和降壓。Linear Technology 最近推出的 LTC3871 雙向 DC/DC 控制器則非如此。此控制器用來降低電壓的外部電源元件，也同樣用於升壓。

雙向 IC 解決方案

LTC3871 是雙向 100 V/30 V 雙相同步升壓或降壓控制器，可在 12 V 和 48 V 系統網路之間，提供雙向 DC/DC 控制和電池充電功能。升壓模式下的操作是從 12 V 匯流排升到 48 V 匯流排，而在降壓模式下則是從 48 V 匯流排降到 12 V 匯流排。可施加控制訊號，依據需求配置任一模式。針對高電流應用 (高達 250 A)，輸入和輸出的濾波需求可以降至最低，因為有多達 12 相可以進行異相並聯和時脈。先進的電流模式架構可在並聯相位間提供絕佳的電流匹配。12 相設計可在升壓或降壓模式下，提供高達 5 kW 的功率。

LTC3871 可在需要額外電力時 (如起動引擎時)，讓兩個電池同時供電。使用此裝置，就可達成 97％ 的效率。傳送到負載的最大電流會由晶片上的電流編程迴路進行調節。控制迴路總共有四個；兩個用於電壓、兩個用於電流，可在 12 V 或 48 V 匯流排上控制電壓和電流。

LTC3871 能以使用者選定的固定頻率操作 (介於 60 kHz 至 475 kHz 之間)，並可在同一範圍內與外部時脈同步。此外，在輕度負載下，使用者可選擇使用脈衝省略或連續操作模式。其他特點包含欠壓／過壓鎖定、升壓和降壓模式的獨立迴路補償、過載與短路保護、溫度範圍內 ±1％ 輸出電壓調節準確度，以及可提高效率的 EXTVcc。LTC3871 的設計符合 ISO26262 系統的診斷涵蓋範圍，且資格上符合汽車 ACE-Q100 規範。

LTC3871 目前提供 48 引腳散熱增強型 LQFP 封裝，搭配三種可能的溫度等級。這些溫度等級包括 -40°C 至 150°C 的汽車高溫範圍，以及-40°C 至 125°C 的延伸和工業溫度範圍等級。元件的典型應用線路圖如圖 1 所示。線路圖的最上方為 P 通道 MOSFET，可以提供短路和過電流保護。

圖 1：典型的 LTC3871 雙向應用線路圖顯示，從 26 V 至 58 V 輸入端可輸出 12 V，並可提供 30 A 電流。(圖片來源：Linear Technology)

一體式起動發電機 (ISG)

汽車中的起動機和交流發電機都可用電子控制式 ISG 取代。這可帶來以下幾個優點：

• 不需要起動機，這是引擎正常運行期間唯一的被動元件
• 不需要曲軸和交流發電機間的皮帶和皮帶輪耦合
• 在負載突降期間，可以快速控制發電機電壓
• 在目前使用的一些繞線式轉子交流發電機中，不需要電刷和集電滑環

ISG 的三個主要特點為電力輔助、發電和怠速熄火功能。ISG 可利用再生煞車產生電力，藉此輔助車輛減速。以再生煞車產生的電力可為 48 V 電池充電，降低燃油消耗，進而降低 CO₂ 的排放量。此外，ISG 可在引擎運轉時產生電力，原理傳統的交流發電機類似。最後，在車輛停止時，ISG 能讓內燃機引擎關閉以節省燃油，然後在踩下油門踏板時立即重新起動。這通常稱為怠速熄火系統。在此系統中使用 ISG，可以在起動引擎時達到更順暢的轉換。

圖 2 的方塊圖顯示，LTC3871、ISG 以及 12 V 和 48 V 電池是如何整合到典型的內燃機車輛中。

圖 2：LTC3871 典型汽車應用方塊圖。(圖片來源：Linear Technology)

降壓和升壓模式

簡單的控制訊號即可用動態且順暢的方式，將 LTC3871 從降壓模式切換到升壓模式，或反向切換。具有兩個分別的誤差放大器 (一個用於 VHIGH 調節，一個用於 VLOW 調節)，即可針對降壓和升壓模式的迴路補償進行獨立的微調，進而達到最佳化暫態響應。在降壓模式下，對應的誤差放大器 ITHLOW 會啟用，可控制峰值電感電流。相反地，在升壓模式下則會啟用 ITHHIGH，並停用 ITHLOW。從升壓到降壓，或從降壓到升壓的模式轉換期間，內部軟啟動將被重置，ITH 引腳將停在零電流位準，以確保順暢轉換到新模式。

多相操作

為了提供更多輸出電流，又不增加輸入或輸出電壓漣波，可用菊鏈方式連接多個 LTC3871 並以異相運行。將一個 LTC3871 的 SYNC 引腳連接到另一個 LTC3871 的 CLKOUT 引腳，即可讓第二個元件與第一個元件同步。將 CLKOUT 訊號連接到下一個 LTC3871 級的 SYNC 引腳，即可將整個系統的頻率和相位一致。最多可對 12 個相位進行菊鏈連接，使彼此同時進行異相運作。

LTC3871 的展示板 DC2348A 可利用一個或兩個 LTC3871，分別配置成雙相或四相。圖 3 顯示四相版本。此展示電路以降壓模式運作時的輸入電壓範圍為 30 V 至 75 V，並可輸出 12 V 且電流最高為 60 A。當此展示電路以升壓模式運作時，輸入電壓範圍為 10 V 至 13 V，而且輸出為 48 V 且電流最高為 10 A。

圖 3：LTC3871 四相展示板。(圖片來源：Linear Technology)

圖 4 顯示了使用兩個 LTC3871 元件之四相展示板的典型效率曲線。降壓模式曲線顯示了展示板將 48 V 的輸入降至 12 V 且電流最高為 60 A 下的效率，而升壓模式曲線則顯示了展示板將 12 V 的輸入增至 48 V 且電流最高為 10 A 下的效率。請注意，兩條曲線的峰值效能均為 97％。

圖 4：採用四相設計的 LTC3871 升降壓效率曲線。(圖片來源：Linear Technology)

過電流保護

電流折返保護可在過電流或 VLOW 接地短路情況下限制功率耗散，而 LTC3871 在降壓模式時已含有此防護。電流折返保護會在軟啟動情況下自動啟用。如果 VLOW 低於其標稱輸出位準的 85％，則感應電壓會從編程的最大值逐漸降低到最大值的三分之一。LTC3871 將在短路情況下開始跳過週期，並採用超低工作週期來限制短路電流。

在典型的升壓控制器中，同步二極體或同步 MOSFET 的本體二極體會將電流從輸入端傳導至輸出端。結果就是輸出 (VHIGH) 短路會將輸入 (VLOW) 下拉，而沒有阻隔二極體或 MOSFET 會阻隔電流。VHIGH 接地短路時，LTC3871 會使用外部的低 R_DS(ON) P 通道 MOSFET 以進行輸入短路保護。在正常操作中，P 通道 MOSFET 總是處於開啟狀態，而其閘極源極電壓則固定在最大值 15 V。如果 UVHIGH 引腳電壓低於 1.2 V 的閾值，FAULT 引腳則會經過 125 μs 後降低。若發生此情況，PGATE 引腳會將外部 P 通道 MOSFET 關閉。

結論

使用 LTC3871 將為雙電池 48 V/12 V DC/DC 汽車系統帶來全新的性能水準、更優異的控制以及更高的簡便性，因為相同的外部電源元件可同時用於升壓和降壓。如此一來，即可在降壓模式 (從 48 V 降至 12 V) 與升壓模式 (從 12 V 升至 48 V) 之間自動切換。對於需要更高功率的應用來說，例如起動引擎，最多可以並聯 12 個相位，並且 LTC3871 允許同一負載同時從兩個電池取得電力。額外的 48 V 電池將供電給車輛電氣系統中指定的區域，如此即可增加可用電力、減輕線束重量並且降低電力損耗。有了額外電力，就可啟用新技術，進而提高車輛安全性、提高效率並且降低 CO₂ 排放量。