《电子技术应用》

新型电源转换器让车载48V直降3.3V成为可能

——罗姆开发出2MHz、60V输入2.5V输出的电源IC

电子技术应用 作者:于寅虎
2017/9/7 22:20:08

编者按:近年来,在对节能和环保性能要求越来越高的汽车领域,搭载48V电源系统的轻度混合动力汽车备受瞩目。然而,车载系统必须保持2MHz工作,而能够从48V直接降压到驱动ECU所需的3.3V或5V的电源IC并不存在。为满足新市场对电源IC的需求,罗姆开发出超高速脉冲控制技术“Nano Pulse Control”,实现了“电源系统的单芯片化”。


由于全球温室效应,各个国家对于二氧化碳的排放标准,都制定了各样的严格排放法律法规。例如欧洲制定的标准是要达到每公里95克碳排放。在这样的背景下,采用电动马达驱动的汽车设计在日益增多。预计到2024年采用48V电池的电动车生产台数要达到710万台每年。

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罗姆半导体(上海)有限公司设计中心高级工程师陈乃文

搭载48V轻混汽车市场日益扩大

48V的轻度混合电动车,它在原先的铅电池之外,另外会搭载一个48V的锂电池,作为一个双电池系统去进行供电。从铅变为锂电池它的再生能源效率会提高。另外由于电压提高它也会减少消耗的电流,所以从这方面来看,48V的一个轻度混合电动车对燃油的经济性是有一个很大的提高。

ROHM半导体(上海)有限公司设计中心高级工程师陈乃文介绍,在电动车这样一个领域,其实不光是48V轻度动的电动车,还有比如强混的电动车,以及插电式的电动车。虽然说插电式的电动车它的二氧化碳的减排性能最好,但是相应的它成本的增加就会比较大。而48V轻度混合的电动车,它的二氧化碳减排效果是达到15%-20%,而相应的它增加的成本是在1500欧元以下。所以综合这两点来看的话,48V轻度混合电动车,具有比较好的价格,以及比较好的二氧化碳的减排的效果。而且它也比较容易导入各种尺寸的车辆,而不限于汽车的车型。

采用48V电池汽车的发展史。从2009年开始,在德国汽车业内就开始讨论48V系统的开发,然后到2013年末,大众、奥迪、宝马等有5家汽车制造商,联合制定并且推出48V系统的一个标准LV148。目前在奥迪A8上面也是采用48V轻度混合动力系统作为它的标准配置。另外在今年5月份展会,发布了2017年戴姆勒S级的车型,决定搭载了博士的48V驱动。另外在雷诺风景还有奥迪SQ7中都采用这样的电源结构。


为何要48V?

在目前的轻混汽车里,普遍采用的是双电池供电结构。一个是12V的铅电池车的系统,它通过引擎直接给12V铅电池去充电,一些负载电流小的系统,比如音响、仪表、雨刷等等,它是用12V的电池进行供电。而另一个48V电池系统,可以对负载电流比较大的,比如空调、车灯、风扇等电机类进行供电。另外48V的混合动力系统还有一个再生能源的功能。

从电源方面进行比较的话,可以很直观的看到,传统的12V铅电池车,用12V直接转化到3.3v或者5v,去给一些电子的控制单元去供电。而目前48V的一个电池车,它的输入电压有大幅的提升,一下提高到48V,所以对于整个电源设计来说,就变得比较严苛。因为它仍然要求48V的电源输入,但要达到和原先相同的3.3v或者5v的输出电压,以给电子控制单元进行供电。

在运行相同负载的时候,提高电压可以相应的减少电流,而电流减少也可以使得全车使用的线束变细,从而车体可以做的更轻。而车体做的更轻他的消耗电流也会更少,提高了燃油经济性。

因此,提出到48V就是基于节能降耗这一核心目标。


48V如何直降5V或者3.3V?

由更高的输入电压,生成更低的输出电压,这对于电源IC的设计来讲有两点非常至关重要。第一点是高耐压,第二点高频率。而实现这两点的技术课题的关键点,都在于脉冲的一个宽度,如何实现更窄脉冲成为技术难点。

陈乃文表示,目前,在车载以及工业设备市场,它在输出电压3.3v,频率在2MHz时,对于输入电压的需要最大电压是要达到60v,但是目前整个市面上没有芯片可以达到这样的要求。而从脉冲的宽度来看,输入电压提高,就意味着脉冲的宽度要缩窄,而在满足2MHz工作,输入电压要提高到60v,并且要保证输出电压3.3v的话,它至少需要20纳秒的脉冲宽度。所以从这一部分来看,目前市面上也没有能满足这样条件的一个芯片。

      陈乃文认为,电压升高对于元器件的耐压能力也要做一个很大的提升,另外抗噪声的干扰成份也会增加,还有脉冲的宽度会进行很大幅度的缩减,所以高耐压化的课题关键点在于窄脉冲的控制技术。

另外是高频化的课题,频率升高,元器件的寄生电容产生的影响也会增大。另外,同样的噪声干扰成份会增加,所以高频化课题也在于窄脉冲控制技术。

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为了确保短路等等异常情况下,仍然能够保证芯片工作的安全性,所以要解决这样的问题,即使脉冲宽度非常窄,也要建立一个电流模式控制。以此来保证输出电压能够稳定,而不受任何因素的影响。由此解决这一课题的窄脉宽控制技术就诞生了。所谓窄脉宽控制技术简单来讲,它是罗姆凝聚了电路设计、布局、工艺三大尖端技术,而实现的超高速脉冲控制技术。在以往很困难的短开关导通的时间内,仍然可以实现稳定的一个电压控制,这就是窄脉宽控制技术的定义。很直观的我们可以看到窄脉宽控制技术的应用,它有两个关键点,第一它可以节省空间;第二它实现了单芯片化。在同样的输入电压和输出电压的条件下,由原先必须使用两级的DC/DC去设计,而变为只需要一颗芯片就可以完成,单芯片化也是这款芯片体现的优势之一。

 

创新的电源IC“BD9V100MUF-C”

基于对电源与半导体工艺的创新,罗姆运用先进技术开发了电源IC“BD9V100MUF-C”,这是一颗拥有诸多特性的电源转换控制器。

据陈乃文介绍,首先这颗IC满足了48V电池系统的需求,第一是系统的简化,高降压比;第二它的工作频率,要避开广播的频段,AM的频段是0.5M-1.7MHz,而车载的要求,需要开关频率保持2MHz以上去进行工作。所以基于这两点,它所需要的脉冲的宽度,至少需要20纳秒去实现。ROHM这款“BD9V100MUF-C”就基于这样一个窄脉宽控制技术,实现了单芯片化。也就是原先60v-2.5v的电压转换必须使用2级DCDC去实现,首先从60v转到12V,再从12V转到2.5v。使用这款芯片,单颗芯片就可以完成60v到2.5v这样大幅度电压的转换。由此可以有助于简化整个电源系统的设计,也使得整体设计面积有很大程度的降低。它在整个实际PCB的设计当中,可以做到更加的小型化,由于高频率,外围使用的电感也可以变得更小型,整个PCB的面积降低有70%之多。

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另外,芯片也内置了一些保护的功能。这是一个短路保护的设计。分为SW引脚的短路,以及输出电压的短路。保护芯片的时间,等于检测出过电流的时间加上关断芯片的时间,而这个时间如果大于20纳秒的话,芯片就有被破坏的风险,所以必须在这样异常的条件下,去设计芯片的一个保护的机制,以保证芯片不会被破坏。罗姆也对此款芯片进行了破坏性的实验,无论是输出短路,还是SW引脚的短路,芯片都不会被破坏,它很好的使开关进行关断,实现了芯片保护。

此款芯片也采用了焊料润湿性非常优异的一个QFN4×4的封装,它使得贴装的良率更加的提高。这款“BD9V100MUF-C”目前可以提供样品,计划在今年年底会开始量产,预计今年也会推出面向工业设备市场的一些产品。

陈乃文不服水土,接下来罗姆还会基于窄脉冲控制技术,开发更多的升压以及升降压或者PMIC等等产品。

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