大电流双向控制器助力中国车市48V轻混系统

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随着各国对汽车油耗和排放标准的要求不断提高， 48V轻混系统(Mild Hybrid )逐渐进入人们的视野。简单来说，48V轻混系统是传统动力与油电混合动力之间的一个折中，相比重混系统，48V轻混系统更容易加装到现有的传统动力中，同时成本也更容易控制。据IHS Markit近期发布的“中国车市48V轻混系统”报告显示，48V轻混将在中国迎来高速发展期，并在2020年至2025年的五年时间里，实现年均增长率85%，年销售量从49万台增长到1050万台。

 

48V轻混动系统的核心部件主要包括48V的启动电机，用于储存回收能量的锂离子电池组，以及用于48V与12V电压之间转化的双向DC/DC变换器。如下图所示，系统中12V电池和48V电池可通过双向DC/DC变换器对电池进行充放电，从而实现电能共享。

    

关于双向DC/DC 变换器，市面上流行的主要有两种解决方案：使用DSP实现的数字方案和使用分立器件实现峰值电流控制的模拟方案。DSP方案设计灵活，但是开发难度较大，从而开发周期比较长，而且整体成本较高；分立器件模拟方案成本相对于DSP方案来说较低，但缺点是可靠性较低，而且因为器件众多，设计调试相对复杂，开发周期也比较长。

 

为了降低48V轻混系统中双向DC/DC 变换器的开发难度，德州仪器单芯片模拟解决方案LM5170-Q1应运而生。如下图所示，LM5170-Q1将双向DC/DC 变换器所需的控制、驱动、采样、保护电路集成在单个芯片中，大大降低了系统设计难度，有助于缩短系统开发周期并提高系统的可靠性。

 

LM5170-Q1具有以下特点，可为系统中48V电池和12V电池提供大功率、双向高精度充电管理：

• 内部集成双路5A MOSFET半桥驱动器，单芯片可以支持高达1500W的输出功率
• 支持多芯片交错并联，已满足更大功率设计要求
• 支持单芯片双相交错控制，可以有效降低电感感值，电容容值及输入输出电压纹波
• 支持平均电流控制模式，内置65V高压高边电流检测运放可以支持1%的输出电流精度
• DIR 引脚可以轻易的实现双方向控制

 

 

下图展示了使用多片LM5170-Q1错相并联的例子，实现3.2kW 到8kW输出功率的设计要求。

  

 

          

 

对于多相位大功率 (>=2片)的应用场景，LM5170-Q1的平均电流控制模式显的尤为重要。采用传统的多相位峰值电流控制模式，每一相电流误差为15%左右，设计时不得不按照最差条件选择更大电流的电感。而LM5170-Q1采用平均电流控制模式，可以使输出电流精度控制在1%，降低了电感饱和电流的设计要求，使用更低成本、更小尺寸的电感即可满足同样的输出功率要求。要知道，大电流（如>50A）电感的成本是相当高的，通过下表两种不同控制模式的电感成本比较，可见LM5170-Q1对于系统BOM成本的节省是相当可观的。

	峰值电流控制 电感价格	LM5170-Q1方案 电感价格	LM5170-Q1 方案节省成本($)
4相3.4kW电感成本(4pcs)	15$	12$	3.0$ （降低20%）
6相6.5kW电感成本(6pcs)	22.5$	18$	4.5$ （降低20%）

 

相对于DSP数字方案，LM5170-Q1也同样可以提供更优越的性能和更好的整体成本，下表为LM5170-Q1方案和DSP数字方案的比较：

 

综上所述，无论是相对于传统的分立器件实现峰值电流控制方案，还是DSP数字控制方案，LM5170-Q1都可以提供更优越的性能和更好的整体成本。

 

为了让用户更容易的评估LM5170-Q1的性能，缩短项目开发周期，TI提供了一套适用于 12V/48V 汽车系统的双向直流/直流转换器参考设计，用户可在TIDA-01168页面上查看详细的设计文档和测试结果。

 

编辑：fqj