如何為多相電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱平衡均流系統(tǒng)
未來(lái)的汽車將車輪上的視聽(tīng)仙境,它將配備環(huán)繞式的屏幕和數(shù)十個(gè)揚(yáng)聲器。即使在行駛中,車輛也可以通過(guò)超高速 5G 傳輸視聽(tīng)內(nèi)容,乘客可以沉浸在令人難以置信的感官體驗(yàn)之中。為了實(shí)現(xiàn)這種內(nèi)容豐富、高度連接的未來(lái)移動(dòng)范式,新興的數(shù)字駕駛艙系統(tǒng)對(duì)計(jì)算能力的需求也呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這種增長(zhǎng)導(dǎo)致了對(duì)功率的更高要求。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202302/443322.htm交錯(cuò)式拓?fù)湓絹?lái)越受歡迎,因?yàn)檫@種拓?fù)洳粌H可以提供更高的負(fù)載電流,還能改善 EMC。但是,在設(shè)計(jì)這種汽車電源管理系統(tǒng)時(shí),工程師必須在散熱、電路板尺寸和成本之間權(quán)衡利弊。尤其重要的是,相位之間需要實(shí)現(xiàn)最佳電流分配,以避免某個(gè)相位的 MOSFET 過(guò)熱,從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能的下降。
本文提出了一種新穎的高性價(jià)比方法,通過(guò)兩顆降壓控制器的多相控制,實(shí)現(xiàn)了電池直接供電的大功率電源管理方案。該解決方案將一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的熱平衡電路與兩個(gè)交錯(cuò)式MPQ2908A-AEC1器件(4V 至 60V 輸入、電流模式、同步降壓控制器)相結(jié)合,有效改善了相間電流分配,同時(shí)還巧妙解決了實(shí)現(xiàn)更高功率的難題。
功率級(jí)
隨著新型汽車設(shè)計(jì)的功率需求不斷上升,電力電子工程師也面臨更多的挑戰(zhàn)。他們需要在不增加 PCB 尺寸和成本的條件下設(shè)計(jì)出功率更高的電路,同時(shí)必須保持低于規(guī)定值的低 EMI。
多相拓?fù)涮峁┝艘环N簡(jiǎn)單的解決方案來(lái)克服這一設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在這種拓?fù)渲?,多個(gè)電源變換器并聯(lián)放置以增加整個(gè)電源單元 (PSU) 的可用負(fù)載電流,從而增加可輸送的功率總量。與此同時(shí),如果所有變換器彼此同步運(yùn)行但鎖定相位不同,則整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的 EMI 也會(huì)降低。最終,負(fù)載所需的電流由所有變換器分擔(dān),散熱性能得到優(yōu)化。
本文介紹的汽車電源管理系統(tǒng)即采用雙相電源,它可以將新型汽車設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的 48V電源降至12V,以滿足許多高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的需求。為了提供高達(dá)20A 的負(fù)載電流,該設(shè)計(jì)使用了兩個(gè) MPQ2908A-AEC1 器件。這款控制器除了具備寬輸入范圍并可實(shí)現(xiàn)48V 規(guī)格降壓以外,還可以利用其SYNCO 引腳構(gòu)建雙相拓?fù)?,輸?180° 異相時(shí)鐘。
圖 1 顯示了一個(gè)初始 240W 功率級(jí)的系統(tǒng)框圖。首先,系統(tǒng)中包含48V的汽車電池。它還包含反極性保護(hù)和過(guò)壓保護(hù) (OVP) 子系統(tǒng),用于在出現(xiàn)意外事件(例如錯(cuò)誤連接電纜)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)免受損壞。最后,系統(tǒng)還包含用于減少傳導(dǎo)發(fā)射的EMC 濾波器,以及用于將電壓從 48V 降至 12V的雙相交錯(cuò)式降壓變換器。由于系統(tǒng)管理的功率相當(dāng)高,因此還添加了一個(gè)頻譜擴(kuò)展 (FSS) 調(diào)制器以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)中的低 EMI。
圖1: 初始240W功率級(jí)
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與解決方案
汽車行業(yè)不斷增長(zhǎng)的電力需求使設(shè)計(jì)人員面臨兩項(xiàng)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。首先,汽車應(yīng)用的電源必須滿足標(biāo)準(zhǔn)化EMC 要求,例如 CISPR 25 Class 5。這意味著 PCB 布局應(yīng)涵蓋所有 EMC 設(shè)計(jì)建議。此外,為確保 240W 系統(tǒng)能夠保持在規(guī)定的 EMC 限制范圍內(nèi),還需添加特定的補(bǔ)充解決方案,如交錯(cuò)式拓?fù)?、EMC 濾波器和 FSS 調(diào)制器。
與此同時(shí),設(shè)計(jì)方案還需要管理電路板熱量。我們建議通過(guò)選擇合適的電路元件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效率。提高效率可以減少功率損耗,從而最大限度地減少溫升。設(shè)計(jì)人員尤其應(yīng)謹(jǐn)慎選擇系統(tǒng)中的 MOSFET 和電感。
圖 2 所示為初始 240W 功率級(jí)在四種不同輸入電壓(24V、36V、48V 和 60V)下的效率。
圖2: 系統(tǒng)效率
除了選擇最佳組件之外,還有其他方法也可以改善汽車電源管理系統(tǒng)的散熱性能。例如,采用 MPQ2908A-AEC1 允許設(shè)計(jì)人員選擇變換器的開(kāi)關(guān)頻率(fSW)。通常,fSW 應(yīng)盡可能地低以減少開(kāi)關(guān)損耗。較低頻率可提高效率,同時(shí)避免電路板過(guò)熱。在本文的示例中,fSW 設(shè)置為 225kHz。較高EMI 峰值位于 450kHz (2 x fSW) 處,這減少了開(kāi)關(guān)損耗而且不會(huì)影響 EMC性能。
除了散熱和 EMC 限制以外,交錯(cuò)式拓?fù)渫ǔ_€需要均勻的熱分布以平衡 MOSFET的退化,并防止電路板的某些部分過(guò)熱。為了解決這個(gè)問(wèn)題,合理布局PCB 并優(yōu)化兩個(gè)控制器之間的電流分配至關(guān)重要。采用最佳均流方案可以使負(fù)載電流在系統(tǒng)所有變換器之間均勻分配,從而使所有 MOSFET 都具有相同的溫升。
假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有考慮散熱均衡。在系統(tǒng)負(fù)載電流為 20A 且處于穩(wěn)態(tài)時(shí),每相平均電流之間將存在 1A 的差異(如圖 3 中的淺藍(lán)色和綠色跡線所示),這將導(dǎo)致相位之間的溫度不平衡。如果相位之間存在次優(yōu)的熱分布(相位溫度如圖 3 中的深藍(lán)色和粉色跡線所示),則溫度較高的相位會(huì)更快退化。
圖 3:沒(méi)有熱平衡的系統(tǒng)電流分配
熱平衡系統(tǒng)
本文提供了一種簡(jiǎn)單易行的電路設(shè)計(jì),它通過(guò)精確的溫度感測(cè)來(lái)均衡相間溫度。我們將該電路與初始240W系統(tǒng)合并,然后檢測(cè)并比較兩相的溫度。如圖4可見(jiàn),每個(gè)變換器提供的負(fù)載電流都有相應(yīng)改變。
圖 4:帶熱平衡系統(tǒng)的 240W 功率級(jí)
例如,如果 T1 > T2,熱平衡系統(tǒng)會(huì)修改相 2 的補(bǔ)償信號(hào)以提高其輸出電壓 (VOUT2)。由于總輸出電流由負(fù)載決定,是不變的,所以相 2 的電流(IPHASE2) 增加而相 1 的電流 (IPHASE1) 減小。因此,相 1 的功耗和溫度會(huì)降低,直到 T1 = T2。
另外,該電路還降低了 BOM 成本并最大限度地減小了 MOSFET 和電感的尺寸。如果兩相之間的電流分配不均,設(shè)計(jì)人員就必須采用物理尺寸更大的電路元件,如 MOSFET 和電感,以承受電流測(cè)量容差引起的較大電流和功率。而當(dāng)相間電流分配均勻時(shí),就可以使用尺寸更小的 MOSFET 和電感,從而優(yōu)化設(shè)計(jì),并降低 BOM 成本。
在該電路中,兩相的溫度通過(guò)兩個(gè)負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻檢測(cè)。然后溫差被饋送到比例積分 (PI) 控制電路,由該電路將信號(hào)輸出到相 2 的補(bǔ)償 (COMP) 引腳。如果 T2 < T1,則相2 COMP 引腳上的電壓將隨電流的增加而增大(反之,當(dāng) T2 > T1時(shí)亦然)。
相1并未連接到熱平衡電路上。輸出電流 (ILOAD) 是兩相電流的組合 (IPHASE1 + IPHASE2),它由負(fù)載設(shè)置,并與相電流分布無(wú)關(guān),如公式 (1) 所示:
當(dāng) IPHASE2由于熱平衡控制而減小,IPHASE1 會(huì)自動(dòng)增大(反之亦然)。因此,盡管相 1并沒(méi)有直接連接到熱平衡電路上,但仍受其影響。
圖 5 所示為熱平衡設(shè)計(jì)原理圖。
圖 5:熱平衡設(shè)計(jì)原理圖
放置在相 1 和相 2 的 COMP 引腳之間的電阻器 (R8) 用于確保兩相之間的電流差不會(huì)達(dá)到臨界或危險(xiǎn)水平。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)可確定 270kΩ 為 R8 的最佳值。
簡(jiǎn)化后的電路只需正確選擇 PI 電路元件的尺寸即可實(shí)現(xiàn)溫度控制。PI 電路傳遞函數(shù)(H(s))如公式(2) 所示:
其中 C1、R4和 R7 都是 PI 補(bǔ)償環(huán)路中的元件。 PI 電路的比例增益 (KP) 可通過(guò)公式 (3) 來(lái)計(jì)算:
PI 電路的積分增益 (KI) 可通過(guò)公式 (4) 來(lái)計(jì)算:
測(cè)試結(jié)果
采用熱平衡系統(tǒng)可以使電流均衡和溫度均衡都得到明顯改善,圖 3 中顯示的2°C溫差可降至 0.5°C 以下(如圖 6 中的深藍(lán)色和粉色跡線所示)。
圖 6:采用熱平衡系統(tǒng)后的均流效果
結(jié)語(yǔ)
新型汽車設(shè)計(jì)均采用 48V 電源管理系統(tǒng),以減輕車輛線束的重量以及功率損耗。為了承擔(dān)更高負(fù)載,采用交錯(cuò)式拓?fù)鋵?duì)于提高所需功率非常重要。
采用交錯(cuò)式拓?fù)湫枰獙?shí)現(xiàn)均勻的熱分布,以平衡 MOSFET 的退化。本文介紹的方案結(jié)合MPQ2908A-AEC1實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單易行的熱平衡電路,它改善了多相設(shè)計(jì)中的電流分配和溫度分布,可滿足EMC 標(biāo)準(zhǔn),如 CISPR 25 Class 5。采用現(xiàn)有常用元器件,多相變換器相位之間的溫差可以從 2°C 有效降低至 0.5°C。
評(píng)論