使用專用的電源轉換器，在雙 12 V 與 48 V 汽車系統之間進行橋接

隨著內燃引擎 (ICE) 車輛加入越來越多額外的電子裝置、馬達以及致動器，傳統的封閉電路 12 V 汽車電氣系統漸漸顯露出侷限，這些系統是以透過交流發電機充電的鉛酸電池為基礎。舉例而言，使用 12 V 系統時，電動輔助轉向等高功率應用需要消耗較多電流，因而必須使用較大、較笨重的線束。在現代車輛上，這種額外的重量十分顯著，因為佈線長度可能達數公里。

一種替代的作法是為高耗電應用部署更高電壓的系統，以降低電流消耗量，讓纜線更輕便。商業實作則是配備傳統的 12 V 網路，並搭配使用鋰離子 (Li-ion) 電池 48 V 系統作為補充。12 V 系統可用於引擎管理、照明以及座椅與車門調整等應用，而 48 V 系統則負責電子轉向、啟動、HVAC 等功能的高負載需求。

這些混合動力汽車電氣系統會增加複雜性，因此也帶來了新的設計挑戰。在這些挑戰中，關鍵在於如何管理兩個電池電路的同時充電與放電，其中包括兩個電池間的雙向降壓與升壓。

本文將介紹雙 12/48 V 汽車電氣系統的演進，並說明新系統的優勢。接著，本文將探討如何使用 Linear Technology 和 Texas Instruments 的 12/48 V 雙向穩壓器，來降低雙電壓系統的複雜度。此外，本文也會考量未來純 48 V 去中心化車輛拓撲架構的優勢，並且檢視 Vicor 針對這類系統推出的匯流排轉換器。

轉換至 12/48 設計的挑戰

為了迎合高功耗裝置的需求，同時確保車輛仍能符合嚴格的經濟與減排規範，讓改用 12/48 V 系統成為趨勢。例如，針對轉向或增壓器這類裝置，若由機械驅動改為電驅動，則可大幅降低摩擦耗損並提高燃油經濟效益。一些汽車製造商指出，48 V 電氣系統可以提高 10% 至 15% 的燃油經濟效益，並且可以降低一定比例的有害排放物。由於在未來幾年內，裝設於汽車上的大量舊有裝置仍會採用 12 V，因此還是需要保留系統的 12 V 側。

12/48 V 配置包含兩個獨立的分支：現有的 12 V 匯流排為傳統負載使用原有的鉛酸電池，而 48 V 系統則以鋰離子電池驅動，能支援較大的負載。雖然需要兩個獨立的充電電路以適應電池的電化學特性，但必須有個機制讓電荷在兩者之間流動，而不會損傷任何一個電池或它們所驅動的任何系統。此外，也需要有個機制，在超載狀態下為另一個電壓電軌提供額外的電力。

最近提出的汽車標準 LV 148 中，描述了 48 V 匯流排結合使用現有 12 V 汽車系統。48 V 系統整合一體式啟動發電機 (ISG) 或皮帶啟動發電機與鋰離子電池。這種系統能夠提供數萬瓦，並且以傳統汽車以及油電混合車和輕型混合車為目標。

12/48 V 系統設計相當具挑戰性，因為這需要謹慎管理電力在車輛的 48 V 和 12 V 電軌間的來回傳輸。一個選項是使用降壓轉換器進行降壓，而以對向傳輸的電力則可使用升壓轉換器供應。然而，獨立的 DC/DC 轉換器設計會佔據寶貴的電路板空間，並且增加系統成本與複雜度。

一種替代的作法是在 12 V 與 48 V 電池之間放置單一雙向降壓／升壓 DC/DC 轉換器。此類轉換器可用於為電池充電，或讓它們為汽車的各種電氣負載供應電流 (圖 1）。

圖 1：雙向電源供應器可用於管理汽車電氣系統中 12 V 和 48 V 電路之間的電力。(圖片來源：Texas Instruments)

雙向電流控制器

12/48 V 系統的電源管理元件都要設計成符合 LV 148 標準。特別是，這讓晶片上產生大量的過載電壓需求。此標準允許 48 V 電軌的最大電壓高達 70 V 並至少維持 40 ms，還能讓系統在此等過載電壓事件期間不損失任何效能，而保持正常運作。對於半導體廠商，這表示一切連接到汽車 48 V 電軌的元件都必須能承受 70 V 的輸入 (加上安全餘裕，總體要求達到 100 V)。

Linear Technology 的 LT8228 是一款 100 V 雙向恆定電流或恆定電壓同步降壓或升壓控制器 (請參閱 Digi-Key 技術文章《在 DC-DC 切換式穩壓器中產生 PWM 訊號的電壓和電流模式控制》)，並具備獨立的補償網路；此即為設計成符合 LV 148 規格的雙向電源供應器範例。

這款控制器有兩種輸入：V₁ 是 24 V 至 54 V 鋰離子電池供電，而 V₂ 則是 14 V 鉛酸電池輸入 (圖 2)。升壓模式輸出是 48 V (10 A)，而降壓模式則為 14 V (40 A)。晶片對於輸入與輸出皆可承受 100 V 電壓。操作模式是以微控制器透過 DRXN 引腳進行外部控制，或自動選取。

圖 2：Linear Technology 的 LT8228 雙向電源供應器提供至多 100 V 的升壓或降壓，並且符合 LV 148 規格。(圖片來源：Linear Technology)

輸入和輸出 MOSFET 可以防止負向電壓、控制湧入電流並在故障 (如切換用 MOSFET 短路) 下於端子之間提供隔離。在降壓模式下，V₁ (24 V 至 54 V 輸入) 端子的保護用 MOSFET 可以防止逆電流。在升壓模式下，同樣的 MOSFET 可調節輸出湧入電流，並使用可調整的計時型斷路器保護自身。內部和外部的故障診斷和報告可透過專屬引腳取得。

Texas Instruments (TI) 也提供符合 LV 148 的高效能雙通道雙向電流控制器，也就是 LM5170。此元件能管理連結至 48 V 鋰離子電池的高壓埠 (HV 埠)，以及連結至 12 V 鉛酸電池的低壓埠 (LV 埠)。獨立致能訊號可以啟動雙向控制器的每個通道。

雙通道差動電流感測放大器和專用通道電流監測器通常可達到 1% 的準確度。耐用的 5 A 半橋閘極驅動器能控制並聯 MOSFET 開關，提供每通道 500 W 以上功率。這款控制器能在不連續模式中運作，進而在低負載條件下改善效率 (請參閱 Digi-Key 技術文章《切換式穩壓器連續與非連續模式之間的差異及其重要性的原因》)，並且也能防止產生負電流。保護功能包括逐週期峰值電流限制、12 V 及 48 V 電池電軌的過載電壓保護、偵測及保護 MOSFET 切換故障，以及過熱保護。

LM5170 採用平均電流模式控制，這能透過消除升壓操作模式的右半平面零點，以及無視工作電壓與負載位準維持恆定迴圈增益，以簡化補償。

Linear Technology 和 TI 的雙向電流控制器包含的一些功能，能讓簡化雙 12/48 V 汽車電氣系統的電源管理電路設計。例如，這些元件可以運用相同的外部電源元件，無論是以一個電池升壓，或是以另一個電池降壓。這樣可以節省空間與成本，並且讓電路降低複雜性。然而，這些外部元件必須謹慎選擇。

應用電路設計

使用 LT8228 (以及 TI 元件) 時，外部元件選擇通常旨在取得良好的切換式穩壓器設計。例如，選擇切換頻率 (f_SW) 和電感值 (L)，是為了達到效率、實體尺寸與成本的最佳化。同樣地，為了符合峰值電感電流限制、效率要求以及電流感測準確度，則需選擇電感電流感測電阻 R_SNS2 及其輸入增益電阻 R_IN2 (圖 3)。

圖 3：Linear Technology 的 LT8228 方塊圖顯示典型應用所需的外部元件。(圖片來源：Linear Technology)

選擇電容 C_DM2 可限制降壓輸入和升壓輸出的漣波電壓；同樣地，選擇電容 C_DM4 可限制升壓輸入和降壓輸入的漣波電壓。V1D 引腳處的電容 C_DM1 可用於將雜訊引入旁路。根據等效串聯電阻 (ESR) 值選擇抑制電容 C_V1 和 C_V2，以減少串聯聯線電感分別連接到 V₁ 和 V₂ 而引起的諧振。

選擇降壓和升壓調節迴路補償，可達到頻寬和穩定性的最佳化。有關使用切換式穩壓器與控制器進行設計的更多資訊，請參閱 Digi-Key 技術文章：《選擇高頻切換式穩壓器的設計權衡》、《瞭解切換式穩壓器的控制迴路反應》和《使用低 EMI 的切換式穩壓器，最佳化高效率的電源設計》。

在選出可滿足切換式穩壓器良好設計原則的元件後，還要特別選擇一些元件，以滿足雙向 12/48 V 汽車應用的要求。

例如，LT8228 的降壓輸出電流限制、升壓輸入電流限制和 V₂ 電流監測，分別是由電阻 R_SET2P、R_SET2N 和 R_MON2 設定。接下來，選擇 V₁ 電流感測電阻 R_SNS1 (示意圖左上角) 及其輸入增益電阻 R_IN1，以使效率和電流感測準確度得以最佳化。

在降壓和升壓模式運作時，LT8228 皆使用相同電感。在降壓模式下，電感電流為 V2 輸出電流，而在升壓模式下，電感電流為 V2 輸入電流。各模式下的最大電感電流可由方程式 1 和 2 計算得知：

方程式 1 和 2

其中：

ƒ = 切換頻率

L = 選擇的電感值

I_V2P(LIM) = 降壓模式 V₂ 輸出電流限制

I_V2N(LIM) = 升壓模式 V₂ 輸入電流限制

電感峰值電流至少應比降壓和升壓模式的最大電感電流 (較高值) 高出 20% 至 30%。這樣可以確保在任何一種工作模式下，最大平均電流調節不會受到電感電流峰值限制的影響。電感電流可使用 R_SNS2 進行檢測，該電阻與電感串聯。通常，當 I_CSA2 達到 72.5 µA 時，就會偵測到電感峰值電流 I_L(PEAK) 。

高 R_SNS2 值 (右上角) 可提升電流感測準確度，而低 R_SNS2 值可提升效率。在選擇 R_SNS2 值時，設計人員應讓 _CSA2 的輸入參考偏移電壓不會影響電流感測準確度，同時使電感上的功率損耗降至最低。在電感電流達到峰值時，R_SNS2 上的建議電壓為 50 至 200 mV。

因此，設計人員應選擇 R_IN2，並根據下列方程式設定電感峰值電流限制：

方程式 3

電感峰值電流限制設定完成後，藉由電阻 R_SET1N、R_SET1P、R_MON1 分別設定升壓輸出電流限制、降壓輸入電流限制和 V₁ 電流監測。選擇和 R_SET 電阻並聯的電容，是為了將電流限制設定為電流感測電阻的平均電流。

透過選擇連接到 FB1 和 FB2 引腳的電阻分壓器，可設定 V1D (升壓模式下的穩壓輸出) 和 V2D (降壓模式下的穩壓輸出) 的調節電壓和過載電壓閾值。透過選擇連接到 UV1 和 UV2 引腳的電阻分壓器，可設定 V₁ 和 V₂ 的欠壓閾值。

此外，LT8228 的外部電路還需要 6 個功率 MOSFET (圖 4)。這些元件應根據效率和崩潰電壓考量因素進行選擇。隨附的矽肖特基二極體 (D2 和 D3) 屬於可選元件，應基於效率考量進行選擇。

圖 4：LT8228 需要六個外部 N 通道 MOSFET：V₁ 保護用 MOSFET M1A 和 M1B，V2 保護用 MOSFET M4A 和 M4B、頂部的切換用 MOSFET M2 以及底部的切換用 MOSFET M3。(圖片來源：Linear Technology)

LT8228 在降壓模式下運作時，切換用 MOSFET M2 是主開關，MOSFET M3 是同步開關；V1D (由升壓穩壓器調節的節點，位於圖 3 中 DG1 控制器的左上方) 為輸入電壓，V2D (由降壓轉換器調節的節點，位於圖 3 的右上方 - 降壓 MOSFET 的左側) 為經過調節的降壓輸出電壓。在升壓模式下，情況則正好相反，M3 成為主開關，M2 則作為同步開關，V2D 為輸入電壓，V1D 為輸出電壓。

在切換「關閉」的期間，兩個切換用 MOSFET M2 和 M3 在其汲極至源極之間，將承受最大輸出電壓 (加上開關節點上的任何額外環流)。這使得在高壓應用中選擇切換用 MOSFET 時，最重要的參數是崩潰電壓 (BV_DSS)。

此外，設計人員還須考慮 MOSFET 的功率耗散。功耗過大會影響系統效率，並可能使 MOSFET 過熱和損壞。在確定功率耗散時，關鍵參數是導通電阻 (R_DS(ON))、輸入電壓、輸出電壓、最大輸出電流和米勒電容 (C_MILLER)。

淘汰 12 V 電池

以 12 V 鉛酸電池為主的系統成熟且可靠，因此不會在短期內被淘汰。但是，汽車製造商已著手為新款汽車開發只用 48 V 運作的系統，其中採用電池提供 48 V 至 800 V 的電壓。這種系統採用非隔離式雙向轉換器，能處理數千瓦的功率，並為傳統的 12 V 電子裝置和更高電壓的裝置提供電力。

Vicor 的 NBM2317S60E1560T0R 即為此類轉換器的一例。這是一款高效率的非隔離式轉換器，可相容於 38 V 至 60 V 的高側電壓匯流排作業，提供 9.5 V 至 15 V 的低側電壓。此元件的最大連續輸出功率為 800 W，峰值功率能力高達 1 kW。在降壓作業時，連續輸出電流為 60 A，暫態電流為 100 A；在升壓作業時，連續輸出電流為 15 A，暫態電流為 25 A。此元件的功率密度為 274 W/cm³。峰值效率規定為 97.9%。

此元件尺寸為 23 x 17 x 7.5 mm，比起較慢速的切換 (低於 1 MHz) 解決方案，佔用的空間更小。由於該轉換器不需要外部濾波器或大容量電容，因此所需的外部元件數量也會減少。此外，也不需要熱抽換或湧入電流限制。

以單一 48 V 電池為 12/48 V 架構供電，其中一種實作方法是集中式拓撲。這種拓撲結構依賴於單一大容量雙向轉換器。此類系統有幾個缺點，包括熱管理難題、缺乏內建備援以及低電壓 (12 V)／大電流應用所需的延長線束成本和重量。

Vicor 元件的設計旨在透過利用 12/48 V 電氣系統的去中心化架構來解決這些問題。透過使用多個轉換器來內建備援，可以縮短 12 V 線束，因此變得更為輕量。此外，熱管理難題也大幅減輕。例如，在集中式系統中，提供 3 kW 功率的單一轉換器在 95% 的效率下運作時，需要耗散 150 W，主要是散熱。相比之下，在一個由四個元件組成的分散式系統中，每個轉換器在 95% 的效率下產生 750 W 的功率，此時將耗散 37.5 W。雖然整體消耗保持不變，但每個轉換器的溫度卻大幅降低 (圖 5)。

圖 5：如 Vicor 的 NBM2317S60E1560T0R 這種高效 DC/DC 轉換器，可由單一 48 V 電池為 12/48 V 汽車電氣系統供電。如圖所示的去中心化拓撲結構中，熱管理難題得到緩解，12 V 的線束較短，也減輕了重量。(圖片來源：Vicor)

Vicor 公司為其 NBM2317 系列 IC 推出了 NBM2317D60E1560T0R 評估板，讓希望嘗試以 12/48 V 系統設計實驗的設計人員工作更加輕鬆。該評估板預設為降壓拓撲結構，具有 38 V 至 60 V 輸入和單一的 13.5 V 非隔離式輸出。

結論

隨著現代汽車的電氣系統逐漸激增，傳統的 12 V 電氣系統已經無法滿足需求。改採 48 V 系統替代方案可提供更高的功率，以運作電子轉向與增壓器等系統，同時降低線束的重量與成本。

然而在短期內，由於大量的現有車用產品都是 12 V，因此無法立刻改用單一的 48 V 系統。解決方案是並用 12 V 與 48 V 系統，讓兩個系統各自擁有獨立的電池。

如果為這些不同電壓的系統使用各自的 DC/DC 轉換器，則電源管理以及充電可能會很複雜。雙向 DC/DC 轉換器可橋接 12 V 與 48 V 系統，此類產品的引入可以簡化設計、降低成本，並且促進用於低價汽車。

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