應(yīng)對(duì)下一代汽車電源系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

當(dāng)你實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的排放和燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)、48V鋰離子電池技術(shù)、能量收集，以及諸如電子助力轉(zhuǎn)向(EPS)、線控制動(dòng)(BBW)和暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)等大功率應(yīng)用時(shí)，你會(huì)從中得到什么?你會(huì)得到針對(duì)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(dǎo)體供應(yīng)商創(chuàng)造巨大的有利機(jī)會(huì)。

圖1：為了應(yīng)對(duì)汽車電子市場的當(dāng)前大趨勢，Intersil公司開發(fā)了關(guān)鍵技術(shù)

在汽車的電氣化方面并沒有什么新東西出現(xiàn)。事實(shí)上，在上世紀(jì)90年代，一些創(chuàng)新思考者致力于42V標(biāo)準(zhǔn)，使現(xiàn)有12V系統(tǒng)的電壓顯著提高，并推動(dòng)了從轉(zhuǎn)向到照明各種子系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)。但使這些應(yīng)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(dǎo)地位。

圖2：12V轉(zhuǎn)48V系統(tǒng)

在許多推動(dòng)因素的共同作用下，汽車的混合動(dòng)力化已從概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并為半導(dǎo)體供應(yīng)商創(chuàng)造了一個(gè)全新的創(chuàng)新領(lǐng)域。大多數(shù)汽車制造商對(duì)2015年新車型所采用的新標(biāo)準(zhǔn)被稱為48V BoardNet。這一次的變化是實(shí)實(shí)在在的，并且電池技術(shù)的發(fā)展一直是一個(gè)關(guān)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(luò)為“輕”負(fù)載供電，但48V鋰離子電池提供的獨(dú)立48V網(wǎng)絡(luò)可支持包括助力轉(zhuǎn)向、高端音頻系統(tǒng)和HVAC系統(tǒng)在內(nèi)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(zhuǎn)向48V標(biāo)準(zhǔn)解決方案列表

高電壓優(yōu)勢

在汽車應(yīng)用中支持高壓的能力為提高汽車效率帶來了許多機(jī)會(huì)。低速以及走走停停的行駛不僅不再浪費(fèi)汽油，而且能夠成為一個(gè)能量收集來源，所收集的能量可存儲(chǔ)在電系統(tǒng)中并重新利用，最終達(dá)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(jī)通信，從而遠(yuǎn)程啟動(dòng)制冷或加熱系統(tǒng)以及施加或解除警報(bào)和信息娛樂系統(tǒng)的需求能夠更加容易實(shí)現(xiàn)。

合適技術(shù)的融合、要求降低油耗的監(jiān)管環(huán)境和實(shí)現(xiàn)大幅能源節(jié)省的機(jī)會(huì)，將有望轉(zhuǎn)化為對(duì)汽車支持更高電壓標(biāo)準(zhǔn)的需求的強(qiáng)勁增長。據(jù)Lux Research預(yù)測，以2015年為采用微混技術(shù)的第一個(gè)年頭，48V微混市場的規(guī)模在2024年將達(dá)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(lǐng)。

對(duì)半導(dǎo)體供應(yīng)商而言，轉(zhuǎn)向48V標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)重大行動(dòng)，因?yàn)檫@需要高得多的能力水平來提供可靠但同時(shí)又經(jīng)濟(jì)的解決方案。目前只有極少數(shù)供應(yīng)商能夠提供高達(dá)72V的汽車級(jí)解決方案，為支持48V標(biāo)準(zhǔn)提供所需的裕量。標(biāo)準(zhǔn)高壓工藝并不能現(xiàn)成地用于精密轉(zhuǎn)換器和放大器等混合信號(hào)器件。于是供應(yīng)商紛紛開發(fā)專有工藝技術(shù)來經(jīng)濟(jì)地提供高壓工藝要求的精度。

嚴(yán)格的技術(shù)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(yīng)商提供了機(jī)會(huì)。例如，這一創(chuàng)新直接影響駕乘體驗(yàn)的少數(shù)關(guān)鍵領(lǐng)域，如起停應(yīng)用的管理、安全和效率。

在混合動(dòng)力車起停應(yīng)用中，包括報(bào)警、信息娛樂、后視攝像頭等在內(nèi)的許多系統(tǒng)都可能在起停操作中出現(xiàn)毛刺信號(hào)時(shí)被意外關(guān)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(guān)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(gè)重要問題。混合動(dòng)力/電動(dòng)車可能有96~190個(gè)電池單元。要想準(zhǔn)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(duì)保持汽車的安全行駛至關(guān)重要。這一傳輸必須具有高性價(jià)比，減少導(dǎo)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(diǎn)的缺陷。

當(dāng)然，面向該市場的任何IC技術(shù)都需要準(zhǔn)確性。例如，Intersil用創(chuàng)新電源解決方案使每個(gè)電池單元的電壓監(jiān)控精度達(dá)到3mV，從而提供了高達(dá)10%的效率提升。在實(shí)際應(yīng)用中，這意味著汽車行程可從100英里增加到110英里。或者，以電池組的壽命來說，通常其可以保證長達(dá)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(biāo)準(zhǔn)增加了汽車OEM廠商及其合作伙伴設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的復(fù)雜性。能夠創(chuàng)建一種設(shè)計(jì)并使之適用于不同的電源系統(tǒng)負(fù)載，同時(shí)支持12V、24V和48V電壓總線要求，可顯著節(jié)省時(shí)間和成本。Intersil專門設(shè)計(jì)了一種高集成度和多功能的降壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)動(dòng)器使效率得到了進(jìn)一步提升。

還有更多創(chuàng)新會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)，未來十年，相信汽車市場將成為半導(dǎo)體領(lǐng)域許多最重要電源技術(shù)突破的試驗(yàn)場。