自從1898年汽車首次采用電氣照明以來，市場對于汽車電氣特性和功能的需求日益增長。隨著12V系統的局限性逐漸凸顯，汽車行業正逐步轉向48V系統。這一轉變不僅是為了提供更大的電力容量，縮小電線和連接器的尺寸，也是為了支持更多先進的電氣功能，并有效降低能耗。

在當前的輕度混合動力汽車(MHEV)中，通常會配備兩塊電池：一塊48V電池和一塊傳統12V電池。其中，48V-12V DC-DC轉換器起到了關鍵作用，它將這兩塊電池連接起來，確保電力系統的高效運行。48V電池主要用于支持車輛的高性能需求和節能特性，而12V電池則繼續負責為諸如信息娛樂系統、發動機控制系統和安全模塊等較低功率的設備供電。這種設計既保證了系統的兼容性，又促進了新技術的應用和發展。

本文為“48V-12V DC-DC 轉換器”系統解決方案指南的第二部分，將重點介紹解決方案。

解決方案概覽

基于非隔離降壓 - 升壓拓撲結構的 DC-DC 雙向轉換器

功率級

在此應用中，普遍采用的功率級拓撲結構是非隔離同步降壓轉換器。同步開關也便于雙向電流流動， 從而實現升壓模式運行。從48V側來看，該配置可用作同步降壓轉換器;而從12V側來看，其功能則轉變為同步升壓轉換器。

在12V-48V車載系統中，電池連接到DC-DC轉換器輸出端，這有助于降低輸出電壓紋波。為了進一步減小升壓模式下的輸出電壓紋波，在48V側設置了一個L-C濾波器。另一種降低輸出電壓紋波的方法是將功率分散到更多交錯相位上。需要注意的是，對于降壓模式和升壓模式，L-C濾波器都可能影響轉換器的穩定性。此外，還需要考慮到電感器的飽和電流必須超過平均直流電流，而電容器在設計中也需滿足相應的紋波電流要求。

雙向功能對輸入和輸出電容器的選擇有著重要影響。為了實現雙向工作， 功率級內部的電容器會動態地轉換功能。選擇輸出電容容量需要在減少輸出電壓紋波、過沖和系統成本之間進行權衡。過多的輸出電容量也會反過來影響瞬態響應時間。

功率級：交錯非隔離雙向降壓-升壓拓撲結構

多相轉換器

考慮采用多達 6 個交錯(并聯) 功率級(相位) 的多相 DC-DC 雙向轉換器。多相轉換器是大功率應用的合理選擇， 與單相轉換器相比， 多相轉換器具有輸出紋波更低、 可使用更小的電容器、 瞬態響應更快等優點。其他優勢還包括電感器尺寸更小， PCB 上的功率耗散得到改善。

功率級內部的MOSFET必須能承受高電流， 并對整個系統的效率產生顯著影響。導通損耗和開關損耗共同構成了晶體管上的功率耗散。需要考慮的主要參數包括導通電阻RDS(ON)、 柵極電荷以及寄生元件等， 它們能在導通損耗和開關損耗之間取得平衡。

安森美用于低壓和中壓 MOSFET 的新型 T10 技術是理想的選擇， 該技術采用屏蔽柵極溝道設計， 具有超低 QG 和RDS(ON) < 1m 的特性。

T10技術通過其行業領先的軟恢復體二極管(Qrr, Trr) 減少了振鈴、 過沖和噪聲， 實現了性能與恢復特性之間的完美平衡。

48V 系統中的元器件冗余

48V 電力網絡的元件冗余對于確保電力系統的可靠性和彈性至關重要。在單個元件發生故障時， 冗余元件可作為備份，防止整個系統中斷。這對于控制制動、 轉向和安全氣囊等關鍵安全系統尤為重要。車載環境帶來了各種挑戰， 包括振動、 溫度波動、 潛在的元件故障和短路風險。

冗余有助于提高車輛電氣結構的整體穩健性， 確保在部件故障、 意外損壞的情況下實現連續和不間斷的功能， 并降低與電氣短路相關的風險。

轉向 48V 架構能夠加速采用 ADAS 和更高級別的自動駕駛功能， 例如線控轉向和線控制動， 在這些功能中， 對冗余、容錯和可靠性的要求至關重要。與 12V 系統相比， 48V 系統對這些高峰值負載設備的冗余驅動變得更輕便、 更具成本效益。

帶有冗余開關的48V 冗余電力總線可防止故障從一條電力總線傳播到另一條總線。這可確保在系統的某個部分發生故障時， 關鍵功能可無縫轉移到未受影響的通路上。

表 1 展示了安森美的一些器件， 這些器件可通過構建冗余網絡提高 48V 電氣架構的穩健性和可靠性。本《系統解決方案指南》 的后續章節將介紹各個建議器件。

表 1：在 48V 系統中建立冗余的器件建議

電子保險絲(eFuse) NIV3071 可保護多達 4 個獨立的 48V 下游負載免受輸出短路、 過載和過流事件的影響。電源可安全地驅動 4 個受保護的獨立負載， 每個負載的連續電流為 2.5A。此外， eFuse可配置成單通道模式， 用于驅動高達10A的單一連續負載電流。

用于 48V 和 MHEV 應用的集成式汽車電源模塊(APM)

安森美提供了多種封裝形式的汽車MOSFET模塊系列， 專為 48V 系統、 MHEV 和低壓牽引系統中的電源應用而設計。

APM21 模塊的發布進一步豐富了安森美適用于汽車應用的高性能、 高可靠性壓鑄模(transfer-molded) 模塊產品線。

APM系列提升了高度集成的緊湊型設計， 具有低雜散電感和更好的抗電磁干擾(EMI) 表現。高效的電流處理消除了PCB 中大電流通路的必要性。

NXV10V160ST1 APM21 集成了 6 個 100V MOSFET(3x 半橋) ， 可處理如 48 V 逆變器、 電子壓縮機和其他大功率輔助設備等3相典型應用。

APM19 模塊：FTC03V85A1 是一款 80 V 低 RDS(ON)模塊， 具有一個經過優化的 3 相 MOSFET 電橋， 可用于構建 1.5kW 48V-12V 交錯式DC-DC轉換器。兩個模塊可組成一個 6 相 3kW 轉換器。

NXV08V110DB1 是一款 80 V 低 RDS(ON)APM19 模塊，經過優化可用作變速電機驅動的三相逆變橋。

APM19 模塊包括一個用于電流檢測的精密分流電阻、一個用于溫度檢測的 NTC 和一個 RC 緩沖器電路。

用于 48V 和 MHEV 應用的集成式汽車電源模塊(APM)

APM12 是一款成熟可靠的 80V 單相逆變器模塊(NXV08A170DB2) ， 具有電流檢測、 溫度檢測及緩沖電路功能。通過將n個APM12模塊堆疊使用， 可以轉換成n相電機逆變器。

APM17 模塊配置為雙半橋(兩相模塊) ， 可方便地通過外部連接構成單半橋， 以適用于兩倍相電流。

AMP17 示例：NXV08H250DT1、 NXV08H400EXT1。可將三個 APM17 模塊配置在一起， 以驅動三相電機或六相電機( 48V 主逆變器) 。

?雜散電感低：APM17 可使 25kW 48V 逆變器系統的總雜散電感小于 15nH。

?結阱熱阻最低。

?設計緊湊， 模塊總電阻低。

高效的大電流處理， PCB上無需大電流通路。

對于 20~25kW， 可將 24~36 個 MOSFET 減少到3 個 APM。

?該系列提供絕緣陶瓷 DBC 基板選項， 以提供標準和優質的熱性能。

?多種 RDS(ON)額定值可滿足最終用戶的電流要求， 且有多種引腳輸出選項可供不同系統設計選用。

封裝種類：標準、 壓接式、 PCB側安裝引腳。

APM17 - 用作電池和負載開關的背對背 MOSFET 模塊

NXV08B800DT1 是汽車用雙通道背對背 MOSFET 功率模塊，80V， 0.58mΩ， 采用共源極連接。可在 48V MHEV 應用中作為電池或負載開關出色地工作(如下圖所示) 。

電氣隔離 DBC 基板， 實現低 Rthjc， 集成溫度檢測功能。

低結阱熱阻。

優化的雜散電感與高度集成的緊湊設計。

適用于雙向系統， 輸入路徑隔離。

DC-DC 轉換器內的斷路開關

DC-DC 轉換器的每一側都應具備通過斷路開關(斷路器) 與相應的電源軌斷開連接的能力。最佳解決方案是采用雙背靠背 N-MOSFET 配置， 盡管 48V 側只需要單個 MOSFET。

安森美 MOSFET 具有較低的 RDS(ON)， 額定電壓范圍為 40V 至 100V， 滿足上述要求， 可將功率路徑上的導通損耗降至最低。斷路開關還應為轉換器提供過壓和過流保護。48V/12V 斷路開關的受保護側可作為電壓檢測電路的參考點。

12V 電池側

用戶通常可以直接接觸到車輛中的 12V 電池， 這就對系統提出了嚴格的要求， 需要在用戶誤接電池正負極時提供反向極性保護。因此， 在斷路開關中采用背對背 MOSFET 配置， 是為了在電池極性接反的情況下保護轉換器不受損害。當系統關閉時， DC-DC 轉換器必須從兩個電源軌上斷開連接， 以防止在非工作時段產生電流消耗。

MOSFET：低壓和中壓

安森美提供了廣泛適用于 DC-DC 轉換器、 電機控制及其它 48V 汽車應用的低壓(LV) 和中壓(MV) MOSFET 產品。

設計人員可以從提供不同特性的多種元器件技術中進行選擇。80V 至 100V MOSFET 可用于轉換器功率級、 48V 輔助設備和其他應用。而對于 12V 電源軌和傳統的 12V 應用， 40V 低壓 MOSFET 具有良好效能。

T10 屏蔽柵極溝槽技術

新型 T10 屏蔽柵極溝槽技術主要針對 DC-DC 轉換應用(T10S 型號) 及電機控制、 負載開關(T10M 型號) 領域。該技術旨在優化效率， 降低輸出電容及關鍵性能指標， 同時實現更低的導通電阻 RDS(ON)和柵極電荷 QG。其中， 出色的 40V溝 槽 技 術 產 品 NVMFWS0D4N04XM ， RDS(ON)可 低 至 0.42m? ， 采 用 小 巧 的 5x6 封 裝 。而 對 于 80V 的 選 項NVBLS0D8N08X， RDS(ON)則可低至 0.79m? 。

頂部冷卻封裝(TCPAK)

MOSFET 因其功率大、 體積小而被廣泛選用。然而， 傳統表面貼裝器件(SMD) 的散熱效果并不理想， 因為熱量主要通過PCB板傳播。為了解決這一問題并進一步縮小器件尺寸， 我們開發了一種新型頂部冷卻 (Top Cool) MOSFET 封裝， 它將 MOSFET 的引線框架(漏極) 在封裝的頂部外露。這一設計避開了通過 PCB 進行散熱的方式。TCPAK57 是

5.1 x 7.5 mm的緊湊型封裝。

NVMJST0D9N04C 40V 版本的最低 RDS(ON)為 1.07 mΩ。

NVMJST2D6N08H 80V 版本的最低 RDS(ON)為 2.8 mΩ。

Top Cool 技術使得 PCB 的兩面均可利用，從而實現更高的功率密度。

降低 PCB 溫度，延長系統使用壽命。

通過避開 PCB 的熱傳導路徑，改善散熱。

引腳封裝(鷗翼形引腳)增強了板級可靠性。

銅夾(Cu clip)連接，最小化封裝電阻。

T10 MOSFET 技術：中壓 80V 和 低壓 40V

新型 T10(S) 屏蔽柵極溝槽設計適用于 DC-DC 轉換(開關應用)，旨在優化效率、低輸出電容和 FOM 系數。與傳統的 T8 溝槽柵極技術相比， T10 實現了：

更低的 RDS(ON)和柵極電荷 QG， RDS(ON)< 1mΩ， QG <10 nC。

更低的 Rsp(RDS(ON)vs 面積)

改進了 FOM(Rdsx Qoss/QG/Qgd)，提高了性能和整體效率。

業界領先的軟恢復體二極管(Qrr、 Trr)，減少了振鈴、過沖和噪聲。

用于 80V 、 100V MOSFET 和功率模塊的柵極驅動器

FAD3151MXA和FAD3171MXA是 110V、 2.5A 單通道浮置汽車柵極驅動器， 適用于驅動高達 110 V 的高速功率MOSFET。這些驅動器采用 SOI 技術設計， 非常適合需要抗嚴重負瞬態和高達 -80 V 接地電壓偏移等抗擾性的應用。

除DC-DC轉換器外， 它們還可用于多種 48V 應用， 如電池開關、 輔助設備(暖通空調、 電子渦輪增壓) 、 PTC 加熱器、起動機-發電機。

特性：

具有軟關斷功能的漏極-源極去飽和檢測

內置電荷泵，支持 100% 占空比操作(僅限 FAD3171MXA)

具備欠壓鎖定保護(UVLO)保護、雙向故障指示引腳

可應對高達 -80V 的負瞬態電壓，快速負載轉換 dVs/dt 抗擾度超過 ± 50 V/ns

設計資源：

?應用筆記 AND90251/D：FAD3151MXA 和 FAD3171MXA 原理圖、示例和電路分析

?教程：通用隔離和柵極驅動器概述

用于 DC-DC 轉換的高壓側和低壓側驅動器

NCV51513和NCV51511是專為汽車應用設計的高壓和低壓側柵極驅動器， 具有高驅動電流能力和多種配置選項， 特別針對 DC-DC 電源轉換器和逆變器進行了優化。這些驅動器旨在驅動采用半橋或同步降壓配置的 MOSFET。

NCV51513 在高頻工作下具有同類極佳的傳播延遲、 低靜態電流和低開關電流。它有兩個版本供選擇， 分別對應不同的傳播延遲時間。帶濾波器版本的典型傳播延遲為 50 ns， 而不帶濾波器版本的典型傳播延遲為 20 ns。它的 dV/dt 抗擾度高達 50 V/ns， 對于 1 nF 負載， 上升/下降時間分別為 9 ns 和 7 ns。

電子保險絲(eFuse) NIV3071NIV3071是 一 款 8V 至 60V 、 10A 電 子 保 險 絲(eFuse) ， 采用 5x6mm 小型封裝， 集成了 4 個獨立通道(每個通道 2.5A) 。

可驅動 4 個獨立的 2.5A 負載， 或將 eFuse 輸出短接在一起， 48V內可承載獨立 10A 連續負載電流。

保護 12V 和 48V 下游負載免受輸出短路、 過載和過流事件的影響。

適用于汽車區域控制單元(區域控制架構) ， 確保整個車輛各局部 ECU 得到保護并保持穩健。

保護 48V 汽車車身控制模塊、 ADAS 域控制器、遠程信息處理、 線束保護。

軟啟動、 可配置電流限制、 控制和狀態監測引腳

評估板 NIV3071MTW4GEVB 支持原型設計和測試。

NCV12711 - 12V 輔助電源 - 峰值電流 PWM 控制器

NCV12711是一款固定頻率、 峰值電流模式PWM控制器， 具有實施單端功率轉換器拓撲結構(反激式、 正激式轉換器)所需的必要性能。它具有 4-45V 寬輸入范圍， 可用作輔助電源的 DC-DC 控制器。

工作頻率 100kHz 至 1MHz， 帶斜率補償(防止次諧波振蕩， 改善 EMI) 。

1A 拉電流/灌電流柵極驅動器。無需輔助繞組。

輸入電壓支持欠壓鎖定(UVLO) 、 過功率保護、 可編程軟啟動。

評估板NCV12711FLOATGEVB：12V/1A 初級側調節， 無需輔助繞組。

數字隔離器

數字隔離器因其在溫度和時間上的穩定性而廣泛應用于汽車領域。NCIV9211、 NCIV9311、 NCIV9401 是具有 2/3/4 通道的高速雙向陶瓷數字隔離器系列。它們采用安森美獲得專利的片外電容隔離技術和優化的集成電路設計， 實現了高達 2kV 的絕緣和抗噪能力。片外陶瓷電容器既是隔離屏障， 也是使用開關鍵控(OOK) 技術進行信號切換的傳輸介質。

隔離的典型應用：PWM 控制、 MCU 接口、 可編程邏輯控制、 數據采集系統、 電壓電平轉換。