# 关键词: 车载，降压，升压，48 V/12 V双电池，汽车系统
本文介绍了ADI公司的LTC3871双向DC/DC控制器，该器件可在48V/12V双电池DC/DC汽车系统中，使用相同的外部功率元件，自动在降压模式（从48V降低至12V）或升压模式（从12V升高至48V）之间切换，优化控制，简化设计
对于更高功率的应用，例如引擎启动，可将最多12个相位并联，LTC3871允许两个电池同时为同一个负载提供电能。
随着自主驾驶车辆和汽车连接技术的进步，以及燃料经济性法规的日趋收紧，传统12伏特汽车电气系统已经达到了使用极限。除此之外，连接到汽车电气系统的应用也在持续增加，从而产生了更高的电力需求，这也带来了新的挑战。因此，传统的3kW、12V汽车电源系统必须得到补充。
在新近提出的LV148汽车标准中，人们将48V二级总线与现有的12V系统相结合。48V电源轨中包含的一些组件有：
• 带式起动发电机或集成式起动发电机 (ISG)
• 48V锂离子电池
• 双向DC/DC转换器，可通过48V和12V组合式电池提供高达10kW的电能
随着汽车制造商竭力满足要求日益严苛的CO2排放目标，此项技术专门瞄准混合动力电动车和传统内燃汽车。
48V/12V双系统优势与设计挑战
一般来说，12V总线的角色仍然是为照明、信息娱乐、音响和点火等系统供电。48V总线将为可调悬架系统、电动涡轮/超级增压器、空调压缩机、主动底盘、再生制动等其他系统供电。48V总线还将能够支持引擎起动，使得启停操作更加平稳，预计很快将在量产车型上投入使用。
使用更高电压的总线还具备另外一大优势，即减小电缆截面积，从而减小电缆尺寸和重量。这一优势是极其重要的，因为当今高端汽车中的布线长度可能超过4公里。
汽车变得越来越像车轮上的计算机。这为连接很多即插即用式设备创造了可能性。通勤者平均每天有9%的时间在汽车里度过，因此将远程信息处理和多媒体引入汽车，可以提高工作效率，并且带来更多娱乐。
正如之前所说，自主驾驶车辆是驱动电能需求增长的主要动力之一，因为雷达、LiDAR、传感器、摄像头和计算机等组件都需要供电。另外，改进汽车连接技术也需要更多电能。汽车不仅必须能连接到互联网，还要连接到交通信号灯、其他汽车、建筑物以及其他结构。此外，油泵和水泵、动力转向系统、传动系统组件都将逐渐从机械驱动转换为电力驱动。
很多汽车供应商都预测，市场在未来几年内对自主驾驶车辆所需的技术构件的需求将非常旺盛。但是，48V电池系统带来的益处在目前就能够体现出来。例如，有些汽车制造商声称，采用48V电气系统的内燃机可将燃油经济性提升10%至15%。这样还可以相应地减少CO2排放量。
此外，未来在采用48V/12V双系统的汽车中，工程师将能够集成电力压力器技术。这种技术能够独立于引擎负载而工作，从而帮助改善加速性能。例如，已处于高级开发阶段的压缩机将置于中冷器和进气系统之间。压缩机将采用48V电源来启动涡轮。
然而，对于这个领域的供应商而言，由于汽车增加了额外的48V电源网络，他们将面临很多重大设计挑战。举一个具体的例子，半导体和电子控制单元 (ECU) 的供应商必须重新设计自己的产品，使其能够在更高的48V总线电源电压下工作。此外，DC/DC转换器的供应商必须开发专用IC，以处理更高功率的电能传输。为了满足这种需求，Linear Technology开发的一系列DC/DC转换器能够高效地处理更高的电能传输，它们既能实现节能，又能最大程度地减少所需的热设计。
随着12V/48V双电池汽车系统即将投入使用，市场对双向降压和升压DC/DC转换器的需求非常明显。利用这种DC/DC转换器，我们可为任一电池充电，并在需要时向同一个负载供应电流。很多早期的48V/12V双电池DC/DC转换器设计采用单独的功率元件来实现升压和降压。但Linear Technology新近发布的LTC3871双向DC/DC控制器打破了常规。该控制器采用相同的外部功率元件来进行降压及升压转换。
一体化双向IC解决方案
LTC3871是一款双向100V/30V两相同步降压或升压控制器。它能够在12V和48V系统网络之间提供双向DC/DC控制和电池充电。它可在升压模式（从12V总线至48V总线）和降压模式（从48V总线至12V总线）下工作。施加的控制信号可按需配置任意一种模式。对于高电流应用（最高达250 A），由于最多12个相位可以并联和异相定时，因而可以最大程度地减少输入和输出滤波要求。该器件的高级电流模式架构在并联相位之间提供了出色的电流匹配。12相设计可在降压模式或升压模式下提供最高5kW的功率。
当需要更多电能时，例如要起动引擎，LTC3871允许两个电池同时提供电能。使用该器件可达到最高97%的效率。片上电流编程回路可调节输送至负载的最大电流。该器件共有4个控制回路，其中2个用于电压，2个用于电流，可在12V或48V总线上实现电压和电流控制。
LTC3871在介于60kHz和475kHz之间的用户可选固定频率下工作，并能同步到频率位于相同范围内的外部时钟。此外，用户还可选择轻负载工作，使用脉冲跳频或连续工作模式。该器件的其他特性包括：欠压和过压闭锁、针对降压和升压模式的独立回路补偿、过载和短路保护、整个温度范围内±1%输出电压调节准确度，以及用于提高效率的EXTVcc。LTC3871专门针对ISO26262系统的诊断覆盖率而设计，经验证符合AEC-Q100汽车规范。 LTC3871采用热增强型48引脚LQFP封装，分为三个温度级版本。这些温度级包括在-40°C至150°C范围内工作的高温汽车系列，以及在-40°C至125°C范围内工作的扩展和工业级别系列。图1显示了该器件的典型应用示意图。示意图顶部的P沟道MOSFET用于提供短路和过流保护。
图1：典型LTC3871双向应用示意图显示了从26V至58V输入产生的12V输出，能够提供30A电流。（图片来源：Linear Technology）
集成式起动发电机 (ISG)
汽车中的起动机和交流发电机都能被电子控制式ISG取代。这样可以带来以下优势：
- 无需起动机——常规引擎工作过程中唯一的无源元件
- 无需曲轴和交流发电机之间的皮带和皮带盘耦合
- 在负载突降过程中，可实现发电机电压的快速控制
- 无需当前使用的某些绕线转子交流发电机中的电刷和滑环
ISG具有三个重要功能，即动力辅助、发电、启停功能。ISG能够通过再生制动产生电能，从而帮助汽车减速。通过再生制动产生的电能将为48V电池充电，从而降低燃油消耗，进而减少CO2排放。此外，当引擎运行时，ISG可以产生电能，这与传统交流发电机相似。最后，ISG可在停车时让内燃机关闭以节省燃油，而在踩压油门踏板时可瞬时重新起动引擎。此过程所涉及的即一般所称的“启停系统”。在此系统中，ISG有助于在引擎起动时实现更平稳的转换。
图2所示的框图显示了LTC3871、ISG以及12V和48V电池如何整合到典型内燃机汽车中。
图2：LTC3871典型汽车应用框图。（图片来源：Linear Technology）
降压和升压模式控制
一个简单的控制信号即可动态无缝地将LTC3871从降压模式切换为升压模式，反之亦然。借助两个单独的误差放大器（一个用于VHIGH调节，另一个用于VLOW调节），可对降压和升压模式的回路补偿进行独立微调，从而优化瞬态响应。在降压模式下时，对应的误差放大器ITHLOW启用，它将控制峰值电感器电流。相反，在升压模式下时，ITHHIGH启用，ITHLOW被禁用。在从升压至降压或从降压至升压的模式转换过程中，内部软启动被复位，ITH引脚将置于零电流水平，以确保向新模式的平滑转换。
多相供电
可对多个LTC3871进行菊花链连接，并实现异相运行，以便在不增加输入和输出电压纹波的情况下，提供更大的输出电流。将一个LTC3871的SYNC引脚连接到另一个LTC3871的CLKOUT引脚，可让第二个器件同步到第一个器件。将CLKOUT信号连接至下一个LTC3871级的SYNC引脚，将使整个系统的频率和相位保持一致。最多可实现12个相位的菊花链连接，相互之间同时异相运行。
LTC3871的演示板DC2348A可配置为二相或四相，使用一个或两个LTC3871。图3显示了四相版本。在降压模式下工作时，该演示电路具有30V至75V的输入电压范围，产生12V的输出，提供最高60A的电流。当该演示电路在升压模式下工作时，具有10V至13V的输入电压范围，产生48V的输出，提供最高10A的电流。
图 3：LTC3871四相演示板。（图片来源：Linear Technology）
图4是采用两个LTC3871器件的四相演示板的典型效率曲线。降压模式曲线显示演示板从48V降压至12V（最高60A的电流）的效率，而升压曲线则显示演示板从12V升压至48V（最高10A的电流）的效率。我们可以注意到，两条曲线的峰值效率均为 97%。
图 4：LTC3871的降压和升压效率曲线（采用四相设计）（图片来源：Linear Technology）
过流保护
在降压模式下时，LTC3871提供电流折返保护，在过流情况下或当VLOW接地时，该功能可以限制功率耗散。电流折返保护在软启动条件下自动启用。如果VLOW降低至标称输出电平的85%以下，则最大检测电压从最大设定值逐渐降低至原来的三分之一。在短路情况下，LTC3871将以非常低的占空比开始周期跳步，以限制短路电流。
在典型的升压控制器中，同步二极管或同步MOSFET的体二极管会将电流从输入端传导至输出端。因此，如果没有采用阻流二极管或MOSFET来阻隔电流，则输出 (VHIGH) 短路将下拉输入 (VLOW)。当VHIGH短路至接地时，LTC3871使用外部低RDS(ON) P沟道MOSFET来提供输入短路保护。P沟道MOSFET始终保持正常工作，其栅源电压被箝位至15V最大值。当UVHIGH引脚电压降低至1.2V阈值以下时，FAULT引脚在125μs之后置于低电平。发生这种情况时，PGATE引脚会关闭外部P沟道MOSFET。
总结
通过LTC3871，我们可将相同的外部功率元件同时用于升压和降压用途，从而将48V/12V双电池DC/DC汽车系统提升到全新性能水平，并且优化控制，实现简化。该器件可自动在降压模式（从48V降低至12V）或升压模式（从12V升高至48V）之间切换。对于更高功率的应用，例如引擎启动，可将最多12个相位并联，LTC3871允许两个电池同时为同一个负载提供电能。新增的48V电池将为汽车的一部分电气系统供电，从而增加可用的电能，减轻线束重量和降低电能损失。这些额外电能可催生出新技术，有利于提升汽车的安全性和效率，并且降低CO2排放量。
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