通過分布式供電簡化汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一般而言，汽車動(dòng)力系統(tǒng)采用集中供電的方式，通過多通道變壓器將電池中的12 V的直流電進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以為6個(gè)隔離式柵級驅(qū)動(dòng)電路供電(圖1)。

圖1 集中式電力供應(yīng)模塊示意圖

設(shè)計(jì)者在集中式變壓器模型方面面臨著許多挑戰(zhàn)，包括布局過于復(fù)雜和產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。此外，由于需要更多層來隔離信號/電源線，還會(huì)面臨電路板占用空間較大和印刷電路板(PCB)成本較高等問題。

然而，有了博通有限公司推出的配備有集成反激式控制器的汽車級智能柵極驅(qū)動(dòng)，例如ACPL-32JT和ACPL-33JT，通過一些獨(dú)立的組件，以及一些放置在IC旁邊的小型高效變壓器就可以輕易搭建一個(gè)分布式電力供應(yīng)系統(tǒng)(圖2)。這可以減少總的占用空間，并可將絕緣柵雙極晶體管(IGBT)通道之間電磁干擾(EMI)和噪聲耦合降低到最低。

圖2 分布式電力供應(yīng)模塊示意圖

設(shè)計(jì)簡單

由于采用分布式電力供應(yīng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員在規(guī)劃線路布局的時(shí)候更具有靈活性;低電壓平面(low voltage plane)和高電壓平面(high voltage plane)可以輕易地區(qū)分開來。此外，整個(gè)印刷電路板( PCB)布線變得更易于管理和更為便利。

圖3 采用集中電力供應(yīng)設(shè)計(jì)的6通道IGBT柵級驅(qū)動(dòng)器板

圖4 采用配有ACPL-32JT的分布式電力供應(yīng)設(shè)計(jì)的6聲道IGBT柵極驅(qū)動(dòng)板

圖3和4比較了基于集中式電力供應(yīng)和基于分布式電力供應(yīng)的的六通道IGBT柵極驅(qū)動(dòng)板。很明顯，分布式電力供應(yīng)架構(gòu)的印刷電路板布局更為簡單，布線也更為有效。在低電壓和高電壓回路之間并沒有PCB 走線(PCB trace)和電平(power plane)，從而提高了信號的完整性，并避免對信號線造成不利的噪音干擾。

魯棒性

分布式電力供應(yīng)系統(tǒng)采用的變壓器體積要比集中式變壓器體積小14倍。圖5顯示了位于集中式變壓器與單個(gè)變壓器的大小比較。表1則列出了集中式變壓器和單個(gè)變壓器的實(shí)際尺寸大小。

圖5 單個(gè)變壓器與集中式變壓器的大小比較

表1 單個(gè)變壓器與集中式變壓器的大小比較

與體積更為笨重、更為高大、且容易受到機(jī)械振動(dòng)影響的集中變壓器相比，為每個(gè)驅(qū)動(dòng)配備的單個(gè)變壓器可以提高可靠性和魯棒性。集中式供電架構(gòu)使用的電力供應(yīng)電容器尺寸更大，封裝在一個(gè)圓筒的 CAN 包里(in a radial CAN package)，非常醒目K且占據(jù)空g。為此，設(shè)計(jì)師可為分布式電力供應(yīng)系統(tǒng)選擇尺寸更小的表面貼裝器件封裝(SMD package)電容器。這些電容器所需的額定電壓要比傳統(tǒng)的集中式電力供應(yīng)回路至少低10V~20V。

節(jié)省成本

除了設(shè)計(jì)簡單和擁有較好的魯棒性之外，選擇分布式電力供應(yīng)系統(tǒng)的另一個(gè)好處就是可以通過整個(gè)電路板尺寸和印刷電路板分層的最小化來節(jié)省成本。分布式的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)和單個(gè)的變壓器可讓它們緊密地放置在一起，從而節(jié)省寶貴的電路板空間。圖6展示的是一個(gè)精心設(shè)計(jì)的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器電路(頂部和底部通道)，放置在一個(gè)39.7mm(寬) X 52mm(長)的區(qū)域，不到標(biāo)準(zhǔn)名片一半大小。在這種情況下，一個(gè)六通道柵極驅(qū)動(dòng)電路需要的PCB面積只相當(dāng)于1.5張標(biāo)準(zhǔn)名片的大小。

圖6 半橋柵極驅(qū)動(dòng)電路板可以按照半張標(biāo)準(zhǔn)名片的大小進(jìn)行緊湊設(shè)計(jì)

分布式系統(tǒng)也有助于減少印刷電路板的層數(shù)，因?yàn)榈碗妷壕€路/平面(low voltage traces/planes)和高電壓線路/平面(high voltage traces/planes)之間并沒有交叉。這就不需要為傳導(dǎo)交叉信號而添加額外的層。圖7顯示了專為 Fuji M651 IGBT設(shè)計(jì)的緊湊型6通道柵極驅(qū)動(dòng)板，使用了配備有ACPL-32JT的僅有四層的印刷電路板。

圖7 采用分布式電力供應(yīng)設(shè)計(jì)且僅使用了四層PCB的緊湊型六通道柵級驅(qū)動(dòng)器

更好的EMI性能

在一個(gè)集中式電力系統(tǒng)當(dāng)中，一個(gè)大型六通道變壓器通常要比單個(gè)的小型變壓器發(fā)出更多的 EMI 噪聲。在分布式電源供應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)中，每個(gè)智能柵極驅(qū)動(dòng)光耦合器接通過一體化的DC / DC控制器驅(qū)動(dòng)單個(gè)變壓器，以為側(cè)端供電驅(qū)動(dòng)IGBT。

以下測量結(jié)果表明：和小型的單個(gè)變壓器相比，集中式6通道變壓器(圖8)的 EMI噪音要高很多(圖9)。

圖8 集中式六通道變壓器中的EMI測量

圖9 單個(gè)小型變壓器中的EMI測量

結(jié)論

和使用傳統(tǒng)集中式電力供應(yīng)架構(gòu)的柵級驅(qū)動(dòng)電路板相比，分布式電力供應(yīng)系統(tǒng)可以簡化汽車多通道IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，提高魯棒性和EMI性能，并降低組件成本。