如何治愈電動(dòng)單車(chē)?yán)m(xù)航焦慮？DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)有良方

氣候變暖、自然資源稀缺和污染是全世界都在面臨的日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。電動(dòng)單車(chē)是一種可以替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的綠色節(jié)能工具，是緩解環(huán)境問(wèn)題的解決方案之一。中國(guó)是全球最大的電動(dòng)單車(chē)市場(chǎng)，銷(xiāo)量由 2017 年的 3050 萬(wàn)輛增長(zhǎng)至 2021 年的 4980 萬(wàn)輛，復(fù)合年增長(zhǎng)率為 13.0%，并在 2021 年占據(jù)全球總銷(xiāo)量的 75.9%。

直流-直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器是一種直流(DC)電源變壓電路。在不同的電動(dòng)車(chē)電源配置中，連接電池和直流輸電線至少需用一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器。通過(guò)臨時(shí)存儲(chǔ)輸入電能，然后在不同電壓的輸出端釋放電能，DC/DC轉(zhuǎn)換器可以改變直流電壓值，從某一個(gè)電壓值變?yōu)榱硪粋€(gè)不同的數(shù)值。儲(chǔ)能器件不是磁場(chǎng)型儲(chǔ)能器件(電感器、變壓器)就是電場(chǎng)型儲(chǔ)能器件(電容器)。通過(guò)調(diào)整占空比(開(kāi)關(guān)管的通/斷時(shí)間比值)可以控制輸入和輸出之間的功率流。這樣做是為了控制輸出電壓、輸入電流、輸出電流或保持恒定功率。在電動(dòng)車(chē)上，該轉(zhuǎn)換器主要用于供給輔助負(fù)載設(shè)備，例如喇叭、LED燈和其他外圍設(shè)備。

ST先進(jìn)DC/DC轉(zhuǎn)換器為電動(dòng)單車(chē)發(fā)展賦能

想緩解電動(dòng)車(chē)用戶(hù)的續(xù)航里程焦慮，使用DC/DC轉(zhuǎn)換器是一個(gè)理想的解決方案。意法半導(dǎo)體推出了新一代高集成度DC/DC轉(zhuǎn)換控制器L3751，提升了分立功率器件的開(kāi)關(guān)性能。意法半導(dǎo)體的控制器芯片利用高性能柵極驅(qū)動(dòng)器，控制MOSFET的高速開(kāi)關(guān)操作，降低儲(chǔ)能元器件的尺寸和射電輻射量。

L3751是一款工作電壓范圍6V至75V的通用DC/DC同步轉(zhuǎn)換控制器，應(yīng)用范圍非常廣泛。新產(chǎn)品可以節(jié)省應(yīng)用電路的外部元器件，簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程，同時(shí)縮減PCB尺寸。L3751 具有40 納秒的最短導(dǎo)通時(shí)間，在100 kHz - 1 MHz開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)具有極高的電壓轉(zhuǎn)換比。該控制器采用脈沖跳躍模式，在輕負(fù)載時(shí)，可最大限度地提高能效，有效控制輸出電壓紋波。強(qiáng)制 PWM (FPWM) 模式在負(fù)載范圍內(nèi)可以保持開(kāi)關(guān)頻率恒定，并最大限度地減少輸出電壓紋波。片上集成的柵極驅(qū)動(dòng)器可以最大限度地減少外部組件的數(shù)量，并且專(zhuān)為標(biāo)準(zhǔn) VTH MOSFET優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了確保電動(dòng)單車(chē)等關(guān)鍵應(yīng)用的安全，控制器內(nèi)置全面的安全保護(hù)功能，包括輸出過(guò)流保護(hù)、輸入電壓 UVLO保護(hù)、內(nèi)部電壓監(jiān)控、熱關(guān)斷。

圖1 典型應(yīng)用電路原理圖

圖2 簡(jiǎn)化框圖

L3751功能描述

L3751是一款基于恒定頻率電壓控制式架構(gòu)的原生降壓轉(zhuǎn)換控制器。該芯片將反饋引腳(FB)檢測(cè)的輸出電壓VOUT與內(nèi)部參考電壓(0.8V)比較，然后在COMP 引腳上提供誤差信號(hào)，最后根據(jù)COMP電壓值與內(nèi)部可編程頻率鋸齒波的比較結(jié)果，控制外部功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。如圖 2 所示，內(nèi)部主要模塊包括：

●   穩(wěn)壓器 : 為內(nèi)部電路供電，提供內(nèi)部固定參考電壓。該模塊還實(shí)現(xiàn)了電壓監(jiān)測(cè)電路 (UVLO)，用于監(jiān)測(cè)輸入電壓和內(nèi)部電壓；

●   集成外部 N 溝道 MOSFET的驅(qū)動(dòng)器和自舉電容電路：為高邊開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器供電

●   集成鋸齒波生成電路：根據(jù)內(nèi)部可編程振蕩器或輸入同步信號(hào)調(diào)節(jié)占空比；為改善控制器對(duì)線路電壓瞬變的響應(yīng)性能，實(shí)現(xiàn)了輸入電壓前饋電路

●   電壓模式誤差放大器

●   PWM 比較器和相關(guān)模擬和數(shù)字電路：用于控制內(nèi)部 MOSFET的驅(qū)動(dòng)器

●   軟啟動(dòng)電路和參考電壓鉗位器：用于在啟動(dòng)階段限制浪涌電流

●   可調(diào)節(jié)的無(wú)傳感器或精準(zhǔn)谷流限制感測(cè)模塊和打嗝電路；處理過(guò)載和短路情況

●   防止熱失控的熱關(guān)斷電路

●   輸出電壓監(jiān)控電路：如果輸出電壓測(cè)量值在目標(biāo)值的87%以上，就會(huì)發(fā)送PGOOD 電源良好信號(hào)。

控制器的二極管仿真模式(DEM)可提高在輕負(fù)載時(shí)的應(yīng)用能效。在輕負(fù)載時(shí)，DEM模式以 DCM 和脈沖跳躍方式運(yùn)行，最大限度地提高輕負(fù)載能效，并控制輸出電壓紋波，以最大限度地減少轉(zhuǎn)換損耗。在負(fù)載范圍內(nèi)的強(qiáng)制 PWM (FPWM) 模式可以保持開(kāi)關(guān)頻率恒定，并最大限度地減少輸出電壓紋波，建議在傳感器或模擬電路的電源等低噪聲應(yīng)用中使用DEM模式。

參考設(shè)計(jì)

意法半導(dǎo)體為用戶(hù)提供基于L3751的參考設(shè)計(jì)，如圖 3 所示，適用于輸入電壓 36-72V DC、輸出電壓12 VDC、10A 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

圖 3 L3751直流轉(zhuǎn)換器參考方案

圖 4 參考板原理圖

●   電路描述

輸入級(jí)組件包括組成PI 網(wǎng)絡(luò)的大容量電容器、濾波電路(C4、C5 和 L1)，以減輕高頻開(kāi)關(guān)操作引起的高頻射電輻射。輸入直流總線電壓連接控制器的VIN引腳(引腳20)，在路徑中有串聯(lián)電阻。VIN為控制器內(nèi)部電路供電，同時(shí)供給內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器，以產(chǎn)生 7.5V的Vcc 輸出電壓。VIN還是內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)器的電源。在引腳 20上需要連接一個(gè)小的MLCC 電容。通過(guò)輸入分壓電路在使能引腳(引腳 1)上施加偏壓，以便在 40V時(shí)啟用控制器，避免電池深度放電。一旦EN/UVLO引腳電壓超過(guò)1.2 V 典型值，軟啟動(dòng)階段就會(huì)開(kāi)始，SS/TRK 引腳電壓上升，控制器啟動(dòng)。為了在40V最小輸入電壓時(shí)控制器能夠運(yùn)行，電阻器 R1 和 R6的阻值分別選擇100K 和 4.7K。為確保控制回路絕對(duì)穩(wěn)定，并不受電容器類(lèi)型的影響，控制器實(shí)現(xiàn)了 III 型補(bǔ)償器，為開(kāi)發(fā)者提供了兩個(gè)零點(diǎn)和三個(gè)極點(diǎn)，確保相位裕度足以提高階躍負(fù)載的性能。

●   性能和測(cè)試結(jié)果

我們?cè)诟鞣N負(fù)載條件下測(cè)試了電路板，并得到了能效和性能測(cè)試結(jié)果。

圖5 輸入電壓對(duì)能效和負(fù)載變化

結(jié)語(yǔ)

在中國(guó)，來(lái)自政策端、技術(shù)端、市場(chǎng)端、需求端的新變革一起助推電動(dòng)單車(chē)行業(yè)加速發(fā)展。中國(guó)日均兩輪出行次數(shù)超過(guò)10億，電動(dòng)單車(chē)是80%國(guó)民出行的選擇。據(jù)5G物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)中國(guó)電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)規(guī)模2021年增量市場(chǎng)將達(dá)6000萬(wàn)輛。而高效的DC/DC轉(zhuǎn)換器等新技術(shù)可幫助電動(dòng)車(chē)電子系統(tǒng)滿(mǎn)足更小、更高效、性能更好的需求，從而推動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展。