汽车电源转换面临的挑战

目前，汽车工业客户对电子器件的质量和可靠性的要求越来越高。随着汽车电子行业的发展，为实现汽车性能最大化，同时减少保修问题，必须提高汽车电子元器件的质量和可靠性。

一直以来，电子元器件的质量和可靠性备受重视，但混合动力车(HEV/PHEV)和电动汽车的发展对此提出了新的要求。

原有以汽油为动力的汽车采用的电子器件很少，元器件故障虽会使汽车工作不正常，但一般还能使用。仅以增加发动机控制功能、提高发动机效率和燃油经济性为例，就需要高质量、可靠的元器件。因为即使一个元件发生故障，发动机也会停止工作。

目前，汽车几乎完全由电子器件控制，驾驶者面临可靠性带来的各种不同风险。一般来说，当驾驶者走近汽车、解开被动进入系统时，电子系统就开始工作了。打开钥匙门、按动按钮发动汽车后，大量电源、模拟和微控制器电路开始控制发动机、变速以及其他几乎每一种汽车系统。

目前大部分汽车采用GPS为驾驶者导航；自适应巡航控制雷达保持安全车距；防抱死制动系统保证驾驶者对车辆的操控；发生事故时打开安全气囊；在驾驶者不能驾驶的情况下，许多汽车可利用电话呼叫救援(或报告位置)。这就需要所有电子器件在相对严苛的工作环境下具有很高的可靠性。

目前，汽车电控功能所需平均功率为250 W～1 500 W，轿车或卡车助力功能以及车载娱乐和能效系统所需的更高功率的电子系统越来越多，因此标准是十分重要的。由于汽车电池是一种未调节的低压电源，因此需要高压调节DC-DC系统，大部分情况下采用多相升压结构的升压DC-DC转换器。

以电动汽车为例，这种汽车完全取消了机械式发动机和变速箱，代之以电池、电机和高压电子系统。虽然有助于提高能效并减少温室气体排放，但这是在增加电子电路的基础上实现的。在预期使用寿命延长、电子器件增加的情况下，不断提高电子元器件的质量和可靠性是唯一的解决方案。一定程度上可通过严格遵守保证各种产品线最高质量和可靠性的汽车工业标准来实现。ISO/TS16949是一种推动电子器件发展的最重要标准，并且几乎已成为全球领先汽车厂商和其零部件供应商的强制标准。

以起步停车功能为例，起步/停车系统自动关闭和重新起动内燃机，可缩短发动机空转时间，从而节省油耗。对于长时间交通堵塞，需要频繁起步停车的汽车来说，这是最显著的优点。起动期间，电池经过一个称为电压起动下降的过程，最低达到6 V，如图1所示。为保护电池总线连接的电子器件，必须避免电池—起动电压瞬态变化对总线电压的影响。

解决这个问题的方法是在电池与电压总线之间加一个临时调节多相升压DC-DC转换器，用以克服起动时电压瞬时下降。图2所示为起步/停车系统方框图。这种配置下，当电池电压低于11.5 V阈值时，多相升压DC-DC可提升电池电压，提供稳定的总线电压。当瞬态变化结束后，电池电压高于11.5 V极限时，电子控制单元(ECU)闭合旁路继电器或开关，多相升压转换器在系统中旁路。Intersil 多相升压控制器ISL78220符合TS16949标准，由于能够检测输入电压变化，以及切相和跳频模式具有极高的轻载效率，因此是起步/停车应用的理想选择。

电池起动电压之后恢复稳定状态时，多相升压转换器在无负载或极轻负载条件下运行，全部电流直接由汽车电池提供。为最大限度地减小这种情况下的电池功耗，ISL78220 配置了实施多种轻负载的增强功能。自动加减相功能可减少轻负载时的相数，优化效率。同时，在负载电流极低时，也可以采用逐周期二极管仿真和跳频方法。这样，能够在整个负载范围内优化系统效率。图3显示启用与停用轻负载效率增强配置(去相、二极管仿真和跳频)时的效率对比。可以看到，系统效率在轻负载范围内显著改善。与传统多相升压转换器相比，利用这些ISL78220增强配置效率可提高10%。此外，ISL78220采用无损耗DCR电流感应电路，与传统电阻感应配置相比没有附加损耗。同时在不需要采样和保持电路情况下可以传送连续电流信息，因此系统具有更高的精度和可靠性。

汽车多相升压转换器另一个应用领域是车载信息娱乐系统，这种系统的大功率汽车音频放大器往往需要25 V～50 V电压源，支持近800 W峰值功率。采用多相升压控制器的解决方案会更加简化。功率级分成多个并联相位有助于减轻功率组件的压力、加快负载响应速度并提高系统效率。图4所示为汽车音频放大器系统的典型系统配置。

汽车音频放大器应用有多种特殊要求。首先，当电池电压因缓慢放电下降时，音频放大器输出功率应相应降低，以保持电池具有起动汽车的足够能量。ISL78220含有专用VREF2输入脚可连接任何模拟信号。当内部参考电压低于2 V时，将以VREF2脚电压作为内部基准。ISL78220还提供三态PWM信号，供外部驱动器同时关闭同步升压结构中的上、下MOSFET，从而避免电流从输出流至输入，即产生音频环境中的“能量泵”问题。

在混合电动车(HEV)和电动车(EV)系统中，采用200 V～400 V高压电池组作为蓄能器，12 V传统电池支持原有系统。高压电池组充电通过隔离式DC-DC完成。由于高压电池组波动大，因此一般在低压电池与隔离式DC-DC转换器输入之间插入前置调节器，以优化变压器设计。图5所示为HEV/EV系统方框图。

燃料电池供电的电动车需要储能设备启动燃料电池，并储存再生制动期间捕获的能量。燃料电池是主电源，但其功率密度低，因此系统必须集成电池等储能单元，提供瞬时条件下所需的峰值功率。储能设备适于采用低压电池，以保持与当前大部分汽车负载的兼容性，而燃料电池的电压相当于60 V(市场上10 kW模块)。因此，需采用DC-DC转换器连接低压电池与燃料电池供电的高压DC总线系统。图6所示为燃料电池接口系统方框图。

Intersil的ISL78220为HEV/EV和燃料电池应用提供了理想选择。对于电池供电的系统，最重要的是监控电池充电电流。ISL78220的IOUT脚的总输出电流与所有相位合计感应电流(即多相升压转换器的输入电流)成正比。只要将IOUT脚与VREF2脚通过简易分压、滤波后连接一起，即可准确监控总电流。另一方面，ISL78220专用PWM转换配置脚使系统具有极大的灵活性。通过将这个引脚连接VCC或GND，ISL78220可分别配置为多相升压控制器或多相降压控制器。同步升压或降压结构可用于两个方向传送电流。

总之，随着功率密度和输出功率要求的不断提高，汽车市场中汽车功率调节设计面临更加严峻的挑战。多相DC-DC转换器架构在许多方面简化了汽车设计。与单相模式相比，多相工作模式减少了纹波电流，有助于降低EMI并提高整个负载范围的效率。Intersil推出的ISL78220是业内专门为汽车起步/停车系统、车载音频系统和HEV/EV/燃料电池系统设计的首款多相升压控制器。通过取得TS16949认证，体现了Intersil在致力于提高这些系统电源管理和模拟产品设计、制造和发布质量，促进汽车可靠性和能效方面的技术达到了相当的水平。