應對下一代汽車電源系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

當你實現(xiàn)更嚴格的排放和燃油經(jīng)濟性標準、48V鋰離子電池技術、能量收集，以及諸如電子助力轉向(EPS)、線控制動(BBW)和暖通空調(HVAC)系統(tǒng)等大功率應用時，你會從中得到什么?你會得到針對汽車電池系統(tǒng)發(fā)生根本改變的完美環(huán)境，它在未來十年將給半導體供應商創(chuàng)造巨大的有利機會。

圖1：為了應對汽車電子市場的當前大趨勢，Intersil公司開發(fā)了關鍵技術

在汽車的電氣化方面并沒有什么新東西出現(xiàn)。事實上，在上世紀90年代，一些創(chuàng)新思考者致力于42V標準，使現(xiàn)有12V系統(tǒng)的電壓顯著提高，并推動了從轉向到照明各種子系統(tǒng)的電動機的出現(xiàn)。但使這些應用能夠脫離12V電源的其他創(chuàng)新，以及使用更大電池組來支持更高電壓的想法，始終未能占據(jù)主導地位。

圖2：12V轉48V系統(tǒng)

在許多推動因素的共同作用下，汽車的混合動力化已從概念變?yōu)楝F(xiàn)實，并為半導體供應商創(chuàng)造了一個全新的創(chuàng)新領域。大多數(shù)汽車制造商對2015年新車型所采用的新標準被稱為48V BoardNet。這一次的變化是實實在在的，并且電池技術的發(fā)展一直是一個關鍵因素。雖然系統(tǒng)中仍然使用傳統(tǒng)的鉛酸電池來支持12V網(wǎng)絡為“輕”負載供電，但48V鋰離子電池提供的獨立48V網(wǎng)絡可支持包括助力轉向、高端音頻系統(tǒng)和HVAC系統(tǒng)在內的主要功能系統(tǒng)(圖3)。除了有更高的充電量，鋰離子電池還具有高得多的能量密度和輕得多的重量。

圖3：轉向48V標準解決方案列表

高電壓優(yōu)勢

在汽車應用中支持高壓的能力為提高汽車效率帶來了許多機會。低速以及走走停停的行駛不僅不再浪費汽油，而且能夠成為一個能量收集來源，所收集的能量可存儲在電系統(tǒng)中并重新利用，最終達到降低油耗的目的。例如，精確的電池管理可增加效率并延長電池壽命，這使得汽車“始終在線”并與智能手機通信，從而遠程啟動制冷或加熱系統(tǒng)以及施加或解除警報和信息娛樂系統(tǒng)的需求能夠更加容易實現(xiàn)。

合適技術的融合、要求降低油耗的監(jiān)管環(huán)境和實現(xiàn)大幅能源節(jié)省的機會，將有望轉化為對汽車支持更高電壓標準的需求的強勁增長。據(jù)Lux Research預測，以2015年為采用微混技術的第一個年頭，48V微混市場的規(guī)模在2024年將達到7.88億美元。早期采用將集中于高檔車，全球需求將由歐洲、美國和中國所引領。

對半導體供應商而言，轉向48V標準是一個重大行動，因為這需要高得多的能力水平來提供可靠但同時又經(jīng)濟的解決方案。目前只有極少數(shù)供應商能夠提供高達72V的汽車級解決方案，為支持48V標準提供所需的裕量。標準高壓工藝并不能現(xiàn)成地用于精密轉換器和放大器等混合信號器件。于是供應商紛紛開發(fā)專有工藝技術來經(jīng)濟地提供高壓工藝要求的精度。

嚴格的技術要求為熟悉汽車市場的苛刻要求并知道如何滿足這些要求的供應商提供了機會。例如，這一創(chuàng)新直接影響駕乘體驗的少數(shù)關鍵領域，如起停應用的管理、安全和效率。

在混合動力車起停應用中，包括報警、信息娛樂、后視攝像頭等在內的許多系統(tǒng)都可能在起停操作中出現(xiàn)毛刺信號時被意外關閉。因此，升降壓器件維持輸出功率(甚至在輸入電壓下降到低至1.8V的情況下)的能力至關重要，這樣這些系統(tǒng)才能繼續(xù)發(fā)揮作用。

安全是另一個重要問題?；旌蟿恿?電動車可能有96~190個電池單元。要想準確地監(jiān)測電池單元的電壓、電流和溫度，并可靠地傳輸這些監(jiān)測信息，對保持汽車的安全行駛至關重要。這一傳輸必須具有高性價比，減少導線數(shù)量并增加可靠性。Intersil公司開發(fā)了一種創(chuàng)新的支持長線的菊花鏈通信協(xié)議。這取代了將電池模塊、均衡IC、MCU和CAN接口連接到中央控制單元的傳統(tǒng)方法，避免了該方法成本高昂和造成許多潛在故障點的缺陷。

當然，面向該市場的任何IC技術都需要準確性。例如，Intersil用創(chuàng)新電源解決方案使每個電池單元的電壓監(jiān)控精度達到3mV，從而提供了高達10%的效率提升。在實際應用中，這意味著汽車行程可從100英里增加到110英里?；蛘撸噪姵亟M的壽命來說，通常其可以保證長達10年的電池壽命。效率提高10%可使電池壽命延長一年。

最后，靈活性也非常重要。不斷發(fā)展的電源需求和新標準增加了汽車OEM廠商及其合作伙伴設計電源系統(tǒng)的復雜性。能夠創(chuàng)建一種設計并使之適用于不同的電源系統(tǒng)負載，同時支持12V、24V和48V電壓總線要求，可顯著節(jié)省時間和成本。Intersil專門設計了一種高集成度和多功能的降壓轉換器，來支持從高壓總線(Vin——通常為12V、24V或48V)到低壓總線(Vout——通常為3.3V、5V或12V)的輕松轉換。集成峰值電流模式同步PWM控制器和集成上管及下管FET驅動器使效率得到了進一步提升。

還有更多創(chuàng)新會陸續(xù)出現(xiàn)，未來十年，相信汽車市場將成為半導體領域許多最重要電源技術突破的試驗場。