作者：Chintan Parikh、George Chen 和 Nazzareno Rossetti，Maxim Integrated

您的汽車可能已停產，而您正在市場上購買一輛新車。您是否正在考慮另一種汽油發動機汽車、純電動汽車 (EV) 或介于兩者之間的東西？有如此多的混合動力車型可供選擇，例如全混合動力電動汽車 (FHEV)、插電式混合動力電動汽車 (PHEV) 或輕度混合動力電動汽車 (MHEV)，因此有多種選擇可供選擇。感覺有點像點你最喜歡的拿鐵口味，不是嗎？

汽車發動機的軌跡從汽油發動機開始，到電動機結束。這種戲劇性轉變背后的力量是滿足越來越嚴格的燃料排放法規的必要性。目前，汽油發動機使用電動機來幫助啟動停止和再生制動應用，但它的使用最終會消失。我們預計汽車將在 20 年后實現全電動化。 預計 2040 年左右將全面禁止使用汽油車。伴隨這一轉變的有力候選者是 48-V MHEV，它可以幫助舊汽油發動機以適中的成本滿足排放標準（圖 1）。

在此設計解決方案中，我們將審查 MHEV 的架構并提出一種降壓轉換器，該轉換器可與 48V 電池一起工作，同時能夠承受高輸入電壓拋負載瞬變，并以低 EMI、低占空比和高效率運行。

48-V 輔助系統MHEV 皮帶起動發電機 (BSG) 通過將傳統汽車的交流發電機和起動電機替換為一個輔助動力總成的裝置來提供更高的效率（圖 2）。

在制動過程中，能量從內燃機流向 48 V 電池。發動機向 BSG 施加扭矩，作為響應，BSG 充當發電機。BSG 產生的電波形由三相逆變器通過 IGBT 或 MOSFET 本征二極管進行整流，產生為 48V 電池充電的直流電流。

在啟停過程中，能量從 48V 電池流向充當電機的 BSG。在此階段，BSG 通過三相逆變器功率晶體管從 48V 電池獲取電力。DC/DC 轉換器將 48 V 降壓至 16 V，為三相逆變器柵極驅動器供電，為 BSG 提供適當的運動序列。

BSG 在啟停期間啟動發動機，提供扭矩提升以提高加速性能，并在制動期間為電池充電。48 V 電池還可以為風扇、泵、電動助力轉向架和壓縮機等配件供電，并有助于啟動停止系統。48V 電池可以提供與 12V 電池相同的功率，電流只有四分之一，從而減少了汽車電線的損耗、尺寸和重量。

圖 2：48V MHEV 系統

48-V 電池我們以 1-kWh、48-V、21-Ah 鋰離子 MHEV 電池為例。根據“VDA 320 - 機動車輛中的電氣和電子元件 48-V 車載電源”建議，電池具有 36 V 和 52 V 之間的無限電壓工作范圍，并允許 20 V 和 60 V 之間的有限工作模式和高達 70 V 的動態過電壓。最大工作電壓 (60 V) 是對人類操作員安全的最大允許接觸電壓，因此系統不被歸類為具有電擊風險的“高壓”。

48V 降壓轉換器的穩健性如上所述，48V 降壓轉換器可能會受到高達 70V 的電壓尖峰和長達 40ms 的影響，這是一個很長的電應力時間。在此限制或以上操作可能會永久損壞設備。因此，降壓轉換器輸入電壓的絕對最大額定值必須在 70 V 以上有足夠的余量才能安全運行。

低 EMIECU 的電源管理電子設備必須能夠承受惡劣的汽車環境并受到電磁干擾 (EMI) 的保護。因此，48V 降壓轉換器必須滿足 CISPR25 5 類 EMI 規范。在輻射和傳導發射測試期間，固定頻率轉換器有助于解決尖峰問題。固定和可調頻率允許設計工程師將濾波集中在某個頻率上，以幫助通過 EMI 測試。相比之下，恒定導通時間架構通常表現出可變頻率，這使得獲得良好的 EMI 性能變得更加困難。

前端 48-V 降壓轉換器汽車有數十個電子控制單元 (ECU)。典型 ECU 的電源管理架構如圖3 所示。48-V 接口是一個強大的前端降壓轉換器，可承受電池的靜態和動態電壓條件，反過來，有助于為各種柵極驅動器供電，用于具有 16-20 V輸出?的電機控制，同時還為 MCU 提供備用電源，以防萬一12V 電池斷開。

圖 3：ECU 功率分配

與 12V 輸入相比，48V 降壓轉換器往往具有更高的開關損耗

這個問題可以通過降低工作頻率 (f) 和采用具有更小最小特征和更低寄生電容 (C) 的先進工藝來緩解。此外，控制技術必須很好地適應低占空比的操作。例如，一個 16 V 輸出和一個 48 V 輸入導致

這意味著降壓轉換器的高端晶體管僅在 33% 的時間內導通，而低端晶體管的導通時間為 67%。這些考慮可以指導功率晶體管的尺寸以獲得最佳性能。

集成解決方案MAX20059是一款高效、高壓、同步降壓DC/DC 轉換器IC，集成MOSFET，工作在4.5-V 至72-V 輸入電壓范圍。憑借 80V 的絕對最大額定值，該 IC 具有 8V 與 72V 工作條件的裕度以及 10V 與 70V 電池動態過壓推薦值。

IC 根據 VDA320 建議進行了全面測試。例如，圖 4?顯示了在超過 VDA320 建議的條件下進行的一項測試，即瞬態過電壓測試：

V IN = 14 V 至 72 V

V輸出= 12 V

0-A 負載 400 kHz，PWM

圖 4：瞬態過電壓測試

該 IC 還根據 EMI CISPR25 5 類規范進行了電磁輻射測試。例如，圖 5顯示了使用 200-MHz 至 1-GHz 對數周期（水平）天線執行的眾多 EMI 測試之一。IC 排放水平遠低于限值。

圖 5：滿足 EMI CISPR25 Class 5 規范

該轉換器可提供高達 1A 的電流。輸出電壓在 0.8 V 至 90% V IN范圍內可編程。–40°C 至 125°C 范圍內的反饋電壓調節精度為 ±1.5%。該 IC 采用峰值電流模式控制架構，可在脈寬調制 (PWM) 或脈沖頻率調制 (PFM) 控制方案中運行。該 IC 采用 12 引腳 (3 × 3 mm) 側面可濕性 TDFN 封裝，帶有用于散熱的裸露焊盤。圖 6?顯示了 48V 至 16V 的典型應用電路。

圖 6：具有 400kHz 開關頻率的 48V IN至 16V OUT降壓轉換器

高效率為了獲得最大的靈活性，IC 有兩種操作模式。PFM 在整個工作范圍內提供高效率，但與 PWM 相比，輸出電壓紋波更高。PWM 操作（圖 7）在所有負載下提供恒定頻率操作，適用于對開關頻率敏感的應用。因此，輕負載時開關損耗較高，MAX20059 在 48 V IN至 16 V OUT范圍內可實現 >90% 的峰值效率。

圖 7：400 kHz 時的 48V IN至 16V OUT降壓轉換器效率

結論汽車環境正在經歷一場史詩般的轉變。由于燃料排放標準的日益嚴格，汽油發動機處于下降的拋物線，最終將以全電動汽車告終。同時，48V MHEV 等混合應用正在激增。我們強調了設計在惡劣的 48V 汽車環境中運行的穩壓器所面臨的挑戰，并展示了一種高壓前端降壓轉換器，該轉換器對輸入電壓靜態和動態變化具有高容限、低 EMI 和高效率。

詞匯表

FHEV：全混合動力電動汽車具有容量有限的輔助 200-V 或 400-V 電池。

PHEV：插電式混合動力電動汽車具有更高容量的輔助 200-V 或 400-V 電池，可通過電網充電。

MHEV：輕度混合動力電動汽車具有輔助 48V 電池。

作者簡介Chintan Parikh 是 Maxim Integrated 的業務管理總監，專注于汽車電源管理解決方案。Chintan 擁有圣克拉拉大學工程管理碩士學位。

George Chen 是 Maxim Integrated 的業務經理，專注于汽車電源管理解決方案。George 擁有亞利桑那州立大學的電氣工程碩士學位。

Nazzareno (Reno) Rossetti 是 Maxim Integrated 的模擬和電源管理專家。他是一位出版作家，并擁有該領域的多項專利。Reno 擁有意大利都靈理工大學的電氣工程博士學位。

審核編輯 黃昊宇