為了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，汽車制造商紛紛將目光投向輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。這類汽車除了配備標(biāo)準(zhǔn)的 12V 汽車電池外，還使用了一個(gè)次級(jí)高壓電池。在這種背景下，雙電池系統(tǒng)中的 48V 和 12V 電源軌成為了汽車技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵研究與應(yīng)用方向。

　　德國汽車制造商率先開啟了基于 48V 電池的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建工作。相較于傳統(tǒng)的 12V 電池，48V 電池展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)。它能夠在更低的電流下輸出更高的功率，這意味著在滿足車輛電力需求的同時(shí)，可以降低電流傳輸過程中的損耗。而且，由于電流降低，線束所需的規(guī)格也可相應(yīng)減小，從而減輕了線束的重量，在不影響車輛性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了車輛整體重量的優(yōu)化。在這一發(fā)展過程中，LV148 標(biāo)準(zhǔn)逐漸成為雙電池汽車系統(tǒng)的重要起點(diǎn)。

　　在雙電池汽車系統(tǒng)的架構(gòu)中，12V 和 48V 電源軌各自承擔(dān)著不同的任務(wù)。通常，12V 總線負(fù)責(zé)為車輛的點(diǎn)火、照明、信息娛樂以及音頻系統(tǒng)等提供電力支持，這些系統(tǒng)對(duì)于車輛的基本運(yùn)行和駕乘體驗(yàn)至關(guān)重要。而 48V 總線則主要服務(wù)于主動(dòng)底盤系統(tǒng)、空調(diào)壓縮機(jī)、可調(diào)懸掛、電子超級(jí)電容器 / 渦輪增壓機(jī)等高性能或高能耗的組件，并且在支持再生制動(dòng)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。此外，48V 總線還能助力引擎起動(dòng)，使軟起動(dòng)操作更為平穩(wěn)，提升了車輛起動(dòng)過程的舒適性和可靠性。

　　然而，構(gòu)建這樣的雙電池系統(tǒng)并非易事，工程師們面臨著諸多挑戰(zhàn)。許多汽車原始設(shè)備制造商(OEM)的系統(tǒng)要求明確指出，能量必須能夠在 48V 軌和 12V 軌之間實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。這是因?yàn)樵趯?shí)際使用中，當(dāng)任一電池電量耗盡時(shí)，需要從另一電池獲取能量進(jìn)行充電;而在某些負(fù)載過大的情況下，也需要兩個(gè)電池協(xié)同工作，為相反電壓軌提供額外的電力支持。為了確保電池充電過程的安全與高效，控制器必須具備精確控制充電電流的能力。在大多數(shù)汽車應(yīng)用場(chǎng)景中，功率傳輸?shù)男枨蟛⒉坏?，通常? 2kW 至 3kW 的范圍內(nèi)。并且，48V 軌和 12V 軌的電壓波動(dòng)范圍較大。依據(jù) LV148 規(guī)范，48V 軌的正常電壓范圍在 36V 至 52V 之間，12V 軌的電壓則可能在 6V 至 16V 之間變化。此外，還必須配備完善的保護(hù)電路，以應(yīng)對(duì)各種可能損壞系統(tǒng)的故障情況。由此可見，要設(shè)計(jì)出能夠連接 48V 和 12V 軌的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，絕非一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。

　　盡管面臨挑戰(zhàn)，但通過巧妙的設(shè)計(jì)思路可以有效簡(jiǎn)化問題。由于 48V 軌和 12V 軌的電壓范圍不存在明顯重疊，這為電路設(shè)計(jì)提供了便利。當(dāng)需要將功率從 48V 軌傳輸至 12V 軌時(shí)，可以采用降壓轉(zhuǎn)換器，它能夠?qū)⑤^高的 48V 電壓降低至適合 12V 系統(tǒng)的電壓水平。相反，若要實(shí)現(xiàn)從 12V 軌到 48V 軌的功率傳輸，升壓轉(zhuǎn)換器則是合適的選擇?？紤]到系統(tǒng)對(duì)千瓦級(jí)功率的需求，為了提高系統(tǒng)效率，每個(gè)轉(zhuǎn)換器應(yīng)采用同步 MOSFET 替代傳統(tǒng)的續(xù)流二極管。在電力電子領(lǐng)域，降壓和升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是較為常見且成熟的技術(shù)。然而，若分別設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器，不僅會(huì)占用寶貴的電路板空間，增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，還會(huì)提高成本。通過深入研究可以發(fā)現(xiàn)，降壓和升壓轉(zhuǎn)換器的功率鏈具有較高的相似性，二者都至少包含兩個(gè)功率 MOSFET、一個(gè)電感器以及一定量的輸出電容，它們之間的主要區(qū)別在于控制器。在降壓拓?fù)渲?，受控開關(guān)為高側(cè) MOSFET;而在升壓拓?fù)渲校芸亻_關(guān)是低側(cè) MOSFET。因此，只要選擇合適的控制器，通過簡(jiǎn)單地改變受控開關(guān)，就能夠在使用相同動(dòng)力傳動(dòng)系部件的情況下，改變電感器中的電流流動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)從兩個(gè)轉(zhuǎn)換器解決方案向單個(gè)轉(zhuǎn)換器解決方案的演進(jìn)。

　　在高電流設(shè)計(jì)中，同步開關(guān)雖然是必要的，但僅靠它還不足以解決所有問題。以 2kW 的功率為例，在 12V 電源軌上，電流將導(dǎo)通約 166A。如此大的電流在實(shí)際操作中，往往需要采用多相操作來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。多相架構(gòu)具有諸多優(yōu)勢(shì)，它能夠有效減小組件的物理尺寸，使熱管理更加容易。為了便于每個(gè)電源相位的并聯(lián)連接，降壓或升壓模式操作中的控制方案應(yīng)采用電流模式控制。此外，多相操作還允許每個(gè)相位進(jìn)行交錯(cuò)切換，即在每個(gè)時(shí)刻并非所有相位都同時(shí)切換，這樣可以減少輸出紋波，進(jìn)而有助于降低電磁干擾(EMI)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

　　在任何汽車電氣系統(tǒng)中，保護(hù)電路的設(shè)計(jì)都是至關(guān)重要的，它關(guān)乎到操作人員的安全以及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。常見的保護(hù)功能，如欠壓鎖定(UVLO)和過壓保護(hù)(OVP)，能夠確保電池在充電過程中不會(huì)出現(xiàn)過充或欠充的情況，避免電池因異常電壓而受損。峰值電感器電流限制功能則有助于防止每個(gè)電源相承受過大的應(yīng)力，避免電感器飽和，從而延長組件的使用壽命。在雙電池汽車系統(tǒng)中，還需要配備斷路器，用于在必要時(shí)斷開 48V 和 12V 軌道之間的電連接，以防止故障電流的傳播。監(jiān)控電路也是不可或缺的，例如，在能量傳輸過程中，通過監(jiān)測(cè)每個(gè)通道中的電流，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)是否出現(xiàn)故障狀況，為系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供實(shí)時(shí)保障。

　　數(shù)字控制 DC/DC 轉(zhuǎn)換器曾被視為一種可能的解決方案，但這種方法存在一些明顯的缺點(diǎn)。首先，它需要大量的分立元件，包括每相的電流檢測(cè)放大器、功率 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器、保護(hù)電路和監(jiān)控電路等，這些元件會(huì)占用印刷電路板(PCB)上大量的寶貴空間。其次，需要高端微控制器來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的電流和電壓控制環(huán)路，這增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。再者，微控制器在保護(hù)電路中可能會(huì)引入延遲，在高功率水平下，這種延遲可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的損壞。此外，數(shù)字控制的設(shè)計(jì)周期較長，通常需要數(shù)年時(shí)間，并且要求設(shè)計(jì)人員深入了解開關(guān)電源和數(shù)字控制技術(shù)。不過，數(shù)字控制也并非一無是處，從系統(tǒng)級(jí)的角度來看，它具有更高的靈活性，能夠允許控制方案參數(shù)和調(diào)節(jié)電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化，并且可以與其他子系統(tǒng)共享信息，從而提高總體系統(tǒng)性能。

　　為了解決上述諸多挑戰(zhàn)，德州儀器(TI)推出了 LM5170-Q1 同步雙相雙向降壓 / 升壓控制器。這款控制器集成了電流檢測(cè)放大器、高電流柵極驅(qū)動(dòng)器以及系統(tǒng)保護(hù)功能，其中包括集成斷路器和通道電流監(jiān)控等。這些集成功能消除了數(shù)字解決方案中所需的許多分立元件，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。通過并行堆疊多個(gè) LM5170-Q1 控制器，可以實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)的功率傳輸，同時(shí)借助其專有的平均電流模式控制方案，能夠優(yōu)化對(duì)充電電池的電流控制，確保充電過程的高效與安全。

　　隨著汽車電氣化和智能化的持續(xù)深入發(fā)展，雙電池系統(tǒng)中的 48V 和 12V 電源軌技術(shù)將不斷演進(jìn)和完善。未來，我們有望看到更加高效、智能、集成化的電源管理解決方案，為汽車的性能提升、能源利用效率提高以及安全性增強(qiáng)提供更有力的支持，推動(dòng)汽車行業(yè)向更加環(huán)保、智能的方向邁進(jìn)。