应对下一代汽车电源系统的挑战

作者：Philip Chesley,精密产品副总裁，Intersil公司

当你实现更严格的排放和燃油经济性标准、48V锂离子电池技术、能量收集，以及诸如电子助力转向(EPS)、线控制动(BBW)和暖通空调(HVAC)系统等大功率应用时，你会从中得到什么？你会得到针对汽车电池系统发生根本改变的完美环境，它在未来十年将给半导体供应商创造巨大的有利机会。


图1：为了应对汽车电子市场的当前大趋势，Intersil公司开发了关键技术

在汽车的电气化方面并没有什么新东西出现。事实上，在上世纪90年代，一些创新思考者致力于42V标准，使现有12V系统的电压显著提高，并推动了从转向到照明各种子系统的电动机的出现。但使这些应用能够脱离12V电源的其他创新，以及使用更大电池组来支持更高电压的想法，始终未能占据主导地位。


图2：12V转48V系统

在许多推动因素的共同作用下，汽车的混合动力化已从概念变为现实，并为半导体供应商创造了一个全新的创新领域。大多数汽车制造商对2015年新车型所采用的新标准被称为48V BoardNet。这一次的变化是实实在在的，并且电池技术的发展一直是一个关键因素。虽然系统中仍然使用传统的铅酸电池来支持12V网络为“轻”负载供电，但48V锂离子电池提供的独立48V网络可支持包括助力转向、高端音频系统和HVAC系统在内的主要功能系统(图3)。除了有更高的充电量，锂离子电池还具有高得多的能量密度和轻得多的重量。


图3：转向48V标准解决方案列表

高电压优势

在汽车应用中支持高压的能力为提高汽车效率带来了许多机会。低速以及走走停停的行驶不仅不再浪费汽油，而且能够成为一个能量收集来源，所收集的能量可存储在电系统中并重新利用，最终达到降低油耗的目的。例如，精确的电池管理可增加效率并延长电池寿命，这使得汽车“始终在线”并与智能手机通信，从而远程启动制冷或加热系统以及施加或解除警报和信息娱乐系统的需求能够更加容易实现。

合适技术的融合、要求降低油耗的监管环境和实现大幅能源节省的机会，将有望转化为对汽车支持更高电压标准的需求的强劲增长。据Lux Research预测，以2015年为采用微混技术的第一个年头，48V微混市场的规模在2024年将达到7.88亿美元。早期采用将集中于高档车，全球需求将由欧洲、美国和中国所引领。

对半导体供应商而言，转向48V标准是一个重大行动，因为这需要高得多的能力水平来提供可靠但同时又经济的解决方案。目前只有极少数供应商能够提供高达72V的汽车级解决方案，为支持48V标准提供所需的裕量。标准高压工艺并不能现成地用于精密转换器和放大器等混合信号器件。于是供应商纷纷开发专有工艺技术来经济地提供高压工艺要求的精度。

严格的技术要求为熟悉汽车市场的苛刻要求并知道如何满足这些要求的供应商提供了机会。例如，这一创新直接影响驾乘体验的少数关键领域，如起停应用的管理、安全和效率。

在混合动力车起停应用中，包括报警、信息娱乐、后视摄像头等在内的许多系统都可能在起停操作中出现毛刺信号时被意外关闭。因此，升降压器件维持输出功率(甚至在输入电压下降到低至1.8V的情况下)的能力至关重要，这样这些系统才能继续发挥作用。

安全是另一个重要问题。混合动力/电动车可能有96~190个电池单元。要想准确地监测电池单元的电压、电流和温度，并可靠地传输这些监测信息，对保持汽车的安全行驶至关重要。这一传输必须具有高性价比，减少导线数量并增加可靠性。Intersil公司开发了一种创新的支持长线的菊花链通信协议。这取代了将电池模块、均衡IC、MCU和CAN接口连接到中央控制单元的传统方法，避免了该方法成本高昂和造成许多潜在故障点的缺陷。

当然，面向该市场的任何IC技术都需要准确性。例如，Intersil用创新电源解决方案使每个电池单元的电压监控精度达到3mV，从而提供了高达10%的效率提升。在实际应用中，这意味着汽车行程可从100英里增加到110英里。或者，以电池组的寿命来说，通常其可以保证长达10年的电池寿命。效率提高10%可使电池寿命延长一年。

最后，灵活性也非常重要。不断发展的电源需求和新标准增加了汽车OEM厂商及其合作伙伴设计电源系统的复杂性。能够创建一种设计并使之适用于不同的电源系统负载，同时支持12V、24V和48V电压总线要求，可显著节省时间和成本。Intersil专门设计了一种高集成度和多功能的降压转换器，来支持从高压总线(Vin——通常为12V、24V或48V)到低压总线(Vout——通常为3.3V、5V或12V)的轻松转换。集成峰值电流模式同步PWM控制器和集成上管及下管FET驱动器使效率得到了进一步提升。

还有更多创新会陆续出现，未来十年，相信汽车市场将成为半导体领域许多最重要电源技术突破的试验场。