您最近開過一款新車嗎？新車可帶來極為新奇的體驗，不僅有高級儀表、觸摸屏、互聯(lián)娛樂系統(tǒng)，而且還有高級照明設(shè)備，這些都需要電源。所有這些電子產(chǎn)品的背后都是電池穩(wěn)壓器和電池充電器，其可管理輸入輸出 12V、24V 及 48V 電池的電源。每年“必須有”支持的配件和電子系統(tǒng)按預(yù)期在增長，配套電源組件的尺寸，重量和數(shù)量將跟上電力需求的增長。
48Vin 汽車電源的出現(xiàn)
汽車電子產(chǎn)品會消耗大量的電力，為了不斷滿足這些需求，許多更新的汽車配備了由 12V 傳統(tǒng)鉛酸電池和 48V 鋰離子電池組成的雙電池系統(tǒng)。在歐洲已盛行的“微型”及“輕型”混合動力車在包括美國市場在內(nèi)的整個世界勢頭正勁。微型及輕型混合動力車使用 12V 電池和 48V 鋰離子電池。這些雙電池車輛在車輛停止時關(guān)閉引擎，在駕駛員腳踩離合器或踩油門踏板時重新啟動引擎。該自動停／啟特性已證實可將燃油經(jīng)濟性提升 5% 至 10%。在這些系統(tǒng)中，12V 或 24V 鉛酸電池支持啟動以及傳統(tǒng)汽車中的所有典型電子產(chǎn)品，如儀表板、娛樂系統(tǒng)和前大燈等。48V 鋰離子電池可為 空調(diào)壓縮機和主動底盤系統(tǒng)等高負載系統(tǒng)供電，其可能還包括轉(zhuǎn)向、再生煞車和穩(wěn)定性管理等。如圖 1 所示，雙電池方案依靠工作在不同電壓下的不同電池技術(shù)相互補充。因此，所需的線路穩(wěn)壓器不僅可接受寬范圍的輸入電壓，而且還可在降壓（步降）與升壓（步升）模式間切換時,提供穩(wěn)定穩(wěn)壓輸出。
有些人會反駁，雙電池混合電壓系統(tǒng)只是全面 48V 汽車系統(tǒng)的鋪墊。在未來 5 到10 年內(nèi)，48V 電子產(chǎn)品將開始取代用于汽車電子產(chǎn)品的傳統(tǒng) 12V 電軌。 在這個過渡階段，對于可支持原有 12V 系統(tǒng)和未來 48V 系統(tǒng)的電源組件的需求仍將增加。
DC/DC 電池穩(wěn)壓和充電需要多功能性
為汽車應(yīng)用及配件供電的電池的 DC/DC 穩(wěn)壓與充電有其一系列獨特的要求和挑戰(zhàn)。電池供電電壓就其本質(zhì)而言，容易因溫度、負載和電量狀態(tài)而發(fā)生巨大變化。這些寬范圍的電壓擺幅需要可在降壓與升壓模式間自動無縫轉(zhuǎn)換的高靈活DC/DC 穩(wěn)壓器。
例如在正常使用過程中，典型 12V 汽車電池輸出電壓在 8V 至 16.5V 之間。請查看圖 2 和圖 3 的電壓與電量狀態(tài)曲線。在低溫下或在老化電池上進行測量時，電壓擺幅會進一步加劇。此外，線路穩(wěn)壓器還必須能夠應(yīng)對由交流發(fā)電機充電的電池，必須時刻準(zhǔn)備著用于可產(chǎn)生大量感應(yīng)電壓瞬態(tài)的負載突降環(huán)境。
若未加抑制，這些電壓的峰值會高達 120V，而且需要箝位電路才能使這些負載突降電壓等于或低于 12V 電池的 40V 及 24V 系統(tǒng)的 60V 。這些寬輸入擺幅會高達60V，不僅對于許多穩(wěn)壓器而言太大，而且大部分穩(wěn)壓器在其輸入超過 36V 時還會停止穩(wěn)壓。能夠管理整個 8V 至 60V 輸入范圍電壓擺幅并能在實際情況下仍保持穩(wěn)定穩(wěn)壓輸出的解決方案非常少。
電池穩(wěn)壓器應(yīng)支持恒流、恒壓
一般而言，負載穩(wěn)壓器有望提供穩(wěn)定的負載穩(wěn)壓，帶來足以快速調(diào)整負載瞬態(tài)的帶寬。部署在電池供電系統(tǒng)中時，另外還需要對電池再充電。為了同時支持負載穩(wěn)壓及電池充電，穩(wěn)壓器也應(yīng)能夠在傳統(tǒng)電壓優(yōu)先級與電流優(yōu)先級模式間切換。需要能夠在恒流／恒壓 (CC/CV) 模式間來回切換的穩(wěn)壓器來實施用于充電電池的典型 CC/CV 方案。穩(wěn)壓器若具備這項功能，完成電池充電無需其它的專用穩(wěn)壓器。
器件如果具有恒壓恒流能力，那么一個器件就可以解決電池充電、預(yù)充電／再充電大容量保持電容器或穩(wěn)壓負載。越來越多的電子產(chǎn)品廠商發(fā)現(xiàn)了其通過汽車配件市場切入汽車市場的途徑，因而支持電池充電方案的通用穩(wěn)壓器有不斷增長的需求。
全輸入電壓范圍的等值效率可簡化系統(tǒng)設(shè)計
新一代升降壓穩(wěn)壓器也可通過提升寬輸入范圍的效率來超越傳統(tǒng)穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓器效率只提升幾個百分點乍看可能并不重要，但將其放在應(yīng)用環(huán)境中時，就真的很重要了。更直白的說，效率確實很重要，即使是在電池供電移動設(shè)備的低功耗應(yīng)用中，高效延長了電池使用壽命。在更高功率應(yīng)用（大于 50W）中也是如此。判斷升降壓穩(wěn)壓器性能時要注意的重要特性是在整個線路輸入范圍內(nèi)效率曲線的平緩度。許多穩(wěn)壓器都號稱在窄小范圍內(nèi)有高效率，這對于輸入電壓還算穩(wěn)定的應(yīng)用而言是可以接受的。然而，在調(diào)整電池寬范圍的變量時，應(yīng)該更密切地關(guān)注穩(wěn)壓器效率曲線的平緩度。效率線均勻的優(yōu)勢在于可簡化散熱設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計人員可以針對整個工作范圍的均勻熱負載進行規(guī)劃。
效率對散熱設(shè)計及成本的影響
轉(zhuǎn)換效率可直接影響系統(tǒng)的散熱設(shè)計和可靠性，其進而會影響總體系統(tǒng)成本。與常規(guī) DC/DC 穩(wěn)壓器相比，新一代 DC/DC 穩(wěn)壓器可輕松將效率提升 2 至 3 個百分點。效率提升 2% 至 3% 相當(dāng)于在 100W 至 200W 汽車應(yīng)用中節(jié)省 2W 至 6W 的功率。負載時，這會使必須從系統(tǒng)耗散的熱量降低 2W 至 6W。此外，這些對效率的增量提升也可擴增系統(tǒng)的散熱裕量。該裕量不僅可實現(xiàn)在更大范圍的溫度下全面供電，同時還能降低相關(guān)散熱成本，并提供更穩(wěn)健的設(shè)計。另外，更高效率的電源轉(zhuǎn)換還可降低電源發(fā)電機對負載或?qū)﹄姵卦俪潆娝峁┑拿繂挝荒芰康男枨蟆?/font>
尺寸小、重量輕，可帶來更優(yōu)異的解決方案
尺寸、功率密度以及對更高效解決方案的需求，仍然是頭等大事。在電池供電汽車應(yīng)用中，制造商正被迫實現(xiàn)更高的能源經(jīng)濟性，而消費者則希望車內(nèi)有更多的電子設(shè)備。雖然車內(nèi)電子設(shè)備的總體數(shù)量的穩(wěn)步增長，但是車內(nèi)的空間是很少變化的。要為支持這些更多電子設(shè)備的穩(wěn)壓器找到空間實屬不易。此外，輕量級解決方案的需求對于達到車輛重量目標(biāo)及能源經(jīng)濟標(biāo)準(zhǔn)也很重要。
隨著汽車配件的升級，系統(tǒng)設(shè)計人員必須在不增加分配給穩(wěn)壓器的空間的情況下，努力提升額定功率容量，因此，需要輕量級、高功率密度的解決方案，在比原有解決方案尺寸更小（或相同）的封裝內(nèi)，支持更大的負載。新一代升降壓穩(wěn)壓器可通過提升其工作開關(guān)頻率滿足這一需求。開關(guān)頻率愈高，功率電感器及相關(guān)濾波電容器等能量儲存無源組件就愈小。更小的電源組件及濾波組件有助于縮小空間、實現(xiàn)更高的功率密度。
新一代升降壓穩(wěn)壓器
雙電池汽車系統(tǒng)現(xiàn)已變得隨處可見，而且也正在提升對最新電池供電 DC/DC 轉(zhuǎn)換解決方案的需求，這一需求包括零配件市場電子組件的持續(xù)擴增，例如音視頻娛樂、導(dǎo)航以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)加裝到公共汽車、運輸車以及出租車上的情況越來越多（參見圖 4）。
當(dāng)前的汽車配件需要能進行寬范圍輸入線路穩(wěn)壓的新一代升降壓穩(wěn)壓器，這種穩(wěn)壓器可提供電壓與電流優(yōu)先級調(diào)節(jié)，作為電池充電解決方案的一部分。由于能夠在線路輸入范圍內(nèi)實現(xiàn)高效充電與穩(wěn)壓，系統(tǒng)設(shè)計人員不僅可簡化其材料清單，而且還可使用單個 DC/DC 穩(wěn)壓器來支持多種產(chǎn)品設(shè)計。
通用性對于日新月異的汽車市場極為重要
汽車電子產(chǎn)品與配件的數(shù)量及種類不斷增加，因而，對支持這些電子產(chǎn)品的更先進電源組件的需求也在不斷攀升。這些系統(tǒng)主要依靠多種電池化學(xué)成分，可在不同電壓下工作，從而帶來了對可支持 12V 與 48V 系統(tǒng)的新一代 DC/DC 穩(wěn)壓器的需求。靈活性、尺寸、密度和效率是一些重要特性，為當(dāng)前及未來不斷演進的汽車選擇電源解決方案時需仔細考量。 |
