新IC简化了48V／12V双电池汽车系统的设计

作者：Tony Armstrong

汽车中 48 V/12 V 电池系统的未来指日可待。过去几年，全球大多数主要汽车制造商一直在努力证明他们的系统，很明显，它们的实施将是相对近期的。这是通往全自动乘用车的漫长而艰巨的旅程中必要且关键的一步，该乘用车不需要人类控制并具有真正的自动驾驶。然而，这并不意味着 12 V 电池正在消失;已安装的车辆基础中有太多的遗留系统，无法发生这种情况。这意味着自动驾驶汽车将同时配备12 V电池和48 V电池。

这一事实意味着车辆的内部系统将使用48 V锂离子（Li-Ion）电池或12 V密封铅酸（SLA）电池，但不能同时使用两者。然而，除了由于它们各自的化学成分而为这些单独的电池提供两个独立的充电电路外，还必须有一种机制允许电荷在它们之间移动而不会对电池或车辆内的任何系统造成任何损坏。此外，如果其中一个电池在运行过程中发生故障，拥有两个电池还可以实现冗余。

虽然这肯定会使车辆内各种电气子系统的设计复杂化，但可以获得一些优势。根据一些汽车制造商的说法，基于 48 V 的电气系统可使内燃机车辆的燃油经济性提高 10% 至 15%，从而减少 CO2排放。此外，未来使用双48 V/12 V系统的车辆将使工程师能够集成独立于发动机负载运行的电动助力器技术，从而提高加速性能。这种压缩机已经处于开发的高级阶段，将放置在进气系统和中冷器之间，使用 48 V 导轨启动涡轮增压器。

在全球范围内，燃油经济性法规一直在收紧，而具有连接性的自动驾驶能力在新车中继续激增。因此，12 V汽车电气系统已达到其可用功率极限。同时，似乎这些变化还不够，汽车电子系统已经显着增加。这些变化，加上相关的电力需求，创造了一系列新的工程机会。显然，必须补充具有3 kW功率限制的12 V铅酸电池汽车系统。

此外，还有新的汽车标准会影响这些系统的工作方式。新提出的汽车标准LV 148将次级48 V总线与现有的汽车12 V系统相结合。48 V 电源轨包括一个集成起动发电机 （ISG） 或皮带起动发电机、一个 48 V 锂离子电池和一个双向 DC-DC 转换器，可从 48 V 和 12 V 电池提供数十千瓦的可用能量。该技术针对传统的内燃机汽车，以及混合动力电动和轻度混合动力汽车，因为汽车制造商正在努力满足日益严格的一氧化碳。2排放目标。

适用于 48 V/12 V 电池系统的新型电源解决方案

这一新标准要求 12 V 总线持续为点火、照明、信息娱乐和音频系统供电。而 48 V 总线将为主动底盘系统、空调压缩机、可调悬架、电动增压器、涡轮增压器甚至再生制动提供动力。

在车辆中实施额外的48 V电源网络并非没有重大影响。电子控制单元（ECU）将受到影响，需要将其工作范围调整到更高的电压。这就要求DC-DC转换器制造商还需要引入专用IC来实现这种高功率传输。

因此，ADI公司的线性功耗™（铅）集团设计并开发了几种DC-DC转换器，能够以非常高的效率实现这种能量传输，以节省能源，同时最大限度地减少热设计方面。

显然需要12 V和48 V电池之间的双向降压和升压DC-DC转换器。这种转换器可用于为任一电池充电，同时允许两个电池在系统中需要时向同一负载提供电流。从传统的角度来看，这些最初的48 V/12 V双电池DC-DC转换器设计使用不同的电源组件来升压和降压。

然而，ADI公司的PbL部门最近推出了LT8228，这是一款双向DC-DC控制器，它使用与降压转换相同的外部电源组件进行升压转换。

如图2所示，LT8228是一款具有独立补偿网络的100 V双向恒流或恒压同步降压或升压控制器。功率流的方向由 LT8228 自动确定或由外部控制。输入和输出保护 MOSFET 可防止负电压、控制浪涌电流，并在开关 MOSFET 短路等故障条件下提供端子之间的隔离。在降压模式下，V1 端子上的保护 MOSFET 可防止反向电流。在升压模式下，相同的MOSFET调节输出浪涌电流，并通过可调定时器断路器保护自身。

图2.LT8228配置在一个简化的双向电池备份系统中。

此外，LT8228 还提供双向输入和输出电流限制以及独立的电流监视。无主、容错均流允许添加或减去任何并联的 LT8228，同时保持均流准确度。内部和外部故障诊断和报告可通过故障和报告引脚进行。LT8228 采用 38 引脚 TSSOP 封装。

LT8228是一款具有保护MOSFET的100 V双向峰值电流模式同步控制器。控制器在降压模式下从输入电压V1提供降压输出电压V2，在升压模式下从输入电压V2提供升压输出电压V1。输入和输出电压可设置高达 100 V。工作模式通过 DRXN 引脚进行外部控制或自动选择。此外，LT8228 还具有用于 V1 和 V2 端子的保护 MOSFET。保护 MOSFET 提供负电压保护、内部或外部故障期间输入和输出端子之间的隔离、反向电流保护和浪涌电流控制。在电池备份系统等应用中，双向功能允许电池从更高或更低的电压电源充电。当电源不可用时，电池将升压或降压电源。

为了优化瞬态响应，LT8228 具有两个误差放大器：升压模式下的 EA1 和降压模式下的 EA2，分别具有独立的补偿引脚 VC1 和 VC2。当在轻负载操作等条件下检测到反向电感电流时，控制器以非连续导通模式工作。LT8228 采用四个引脚在降压和升压模式操作中提供输入和输出电流限制编程：ISET1P、ISET1N、ISET2P 和 ISET2N。该控制器还使用 IMON1 和 IMON2 引脚提供独立的输入和输出电流监控。限流编程和监控适用于 0 V 至 100 V 的整个输入和输出电压范围。

此外，LT8228 在多个并联的 LT8228 之间提供无主、容错输出均流，从而实现更高的负载电流、更好的热管理和冗余。每个 LT8228 调节至平均输出电流，无需一个主控制器。当单个LT8228被禁用或处于故障状态时，它将停止对平均总线的贡献，从而使均流方案具有容错能力。

其他功能包括：

宽输入和输出电压范围，高达 100 V
反馈电压容差：在整个温度范围内±0.5%
双向可编程电流调节和监控
广泛的自检、诊断和故障报告
可编程固定或可同步开关频率：80 kHz 至 600 kHz
可编程软启动和动态电流限制
无主、容错均流

结论

LT8228允许将相同的外部电源组件用于降压和升压目的，从而为48 V/12 V双电池DC-DC汽车系统带来了新的性能、控制和简化水平。它按需以降压模式（48 V总线至12 V总线）或升压模式（12 V至48 V）工作。当启动汽车或需要额外电源时，LT8228 允许两个电池同时向同一负载供电。这为电源转换设计人员提供了一个功能丰富的双向转换器，可以轻松配置12 V和48 V电池系统，这是不久的将来全自动驾驶汽车所需要的。