日益嚴格的汽車燃油排放標準正變得越來越具有挑戰性。汽油發動機需要電動機的幫助才能滿足這些標準，從而導致引入具有更高電池電壓的輕度混合動力電動汽車（MHEV）。48V混合動力車今天正在生產中，并且正在激增。采用先進CMOS工藝集成MOSFET的48V降壓轉換器可承受高壓拋負載瞬變，并以低EMI、低占空比和高效率運行，有助于滿足這些標準。

介紹

您的汽車可能已經到了最后一站，而您正在市場上購買一輛新車。您是否正在考慮另一輛汽油發動機汽車、全電動汽車 （EV） 或介于兩者之間？有這么多類型的混合動力車可供選擇，例如全混合動力電動汽車 （FHEV）、插電式混合動力電動汽車 （PHEV） 或輕度混合動力電動汽車 （MHEV），有很多選擇可供選擇。感覺有點像點你最喜歡的拿鐵口味，不是嗎？

汽車發動機的軌跡從汽油發動機開始，到電動機結束。這一巨大轉變背后的力量是必須滿足越來越嚴格的燃料排放法規。目前，汽油發動機使用電動機來幫助啟停和再生制動應用，但其使用最終會消失。我們預計20年后汽車將是全電動的。

預計2040年左右將全面禁止汽油車。伴隨這一轉型的強大候選者是 48V 輕度混合動力電動汽車 （MHEV），它幫助老式汽油發動機以適度的成本達到排放標準。

在本設計解決方案中，我們將回顧MHEV的架構，并提出一種降壓轉換器，該轉換器不僅能與48V電池配合使用，同時承受高輸入電壓拋負載瞬變，而且具有低EMI、低占空比和高效率。

48V輔助系統

MHEV 皮帶起動發電機 （BSG） 通過用輔助動力總成的單個裝置取代傳統汽車的交流發電機和起動電機來提高效率（圖 2）。

在制動過程中，能量從內燃機流向48V電池。發動機向 BSG 施加扭矩，BSG 作為響應，充當發電機。BSG產生的電波形由三相逆變器通過IGBT或MOSFET本征二極管整流，產生為48V電池充電的直流電流。

在啟停期間，能量從 48V 電池流向充當電機的 BSG。在此階段，BSG通過三相逆變器功率晶體管從48V電池獲取電力。DC-DC 轉換器將 48V 降壓至 16V，為三相逆變器柵極驅動器供電，從而為 BSG 提供適當的運動順序。

BSG在怠速停止時啟動發動機，提供扭矩提升以提高加速性能，并在制動時為電池充電。48V 電池還可以為風扇、泵、電動助力轉向齒條、壓縮機等配件供電，并輔助啟停系統。48V 電池可以提供與 12V 電池相同的功率，具有 1/4千的電流，減少了汽車的電線損耗、尺寸和重量。

圖2.48V MHEV系統。

48V電池

讓我們以1kWh，48V，21Ah鋰離子MHEV電池為例。根據“VDA 320 - 機動車輛中的電氣和電子元件 48V 車載電源”建議，電池在 36V 和 52V 之間具有無限電壓工作范圍，并允許 20V 和 60V 之間的有限工作模式和高達 70V 的動態過壓。最大工作電壓（60V）是人類操作員安全的最大允許接觸電壓，因此系統不會被歸類為具有電擊風險的“高壓”。

48V 降壓轉換器魯棒性

如上所述，48V降壓轉換器可能會受到高達70V的電壓尖峰的影響，持續時間長達40ms，這是很長一段時間的電應力。在此限制或超過此限制的情況下操作可能會永久損壞設備。因此，降壓轉換器輸入電壓的絕對最大額定值必須有足夠的高于70V的裕量，以確保安全工作。

低電磁干擾

ECU的電源管理電子設備必須能夠承受惡劣的汽車環境，并防止電磁干擾（EMI）。因此，48V降壓轉換器必須滿足CISPR25 5類EMI規范。固定頻率轉換器有助于解決輻射和傳導發射測試期間的尖峰。固定和可調頻率允許設計工程師將濾波集中在特定頻率上，以幫助通過EMI測試。相比之下，恒定導通時間架構通常表現出可變頻率，這使得獲得良好的EMI性能變得更加困難。

前端 48V 降壓轉換器

汽車有幾十個電子控制單元（ECU）。典型的ECU電源管理架構如圖3所示。48V 與一個堅固耐用的前端降壓轉換器接口，可承受電池的靜態和動態電壓條件，進而幫助為各種柵極驅動器供電，以實現 16 至 20V 的電機控制外，同時還為 MCU 提供備用電源，以防 12V 電池斷開。

圖3.ECU 配電。

與12V輸入相比，48V降壓轉換器往往具有更高的開關損耗

，這個問題可以通過降低工作頻率（f）和采用具有更小最小特性和更低寄生電容（C）的先進工藝來緩解。此外，控制技術必須適合在低占空比下運行。例如，16V 輸出和 48V 輸入導致

.這意味著降壓轉換器高邊晶體管僅導通33%的時間，而低邊晶體管導通67%的時間。這些考慮可以指導功率晶體管的尺寸以獲得最佳性能。

集成解決方案

MAX20059為高效率、高電壓、同步降壓型DC-DC轉換器IC，集成MOSFET，工作在4.5V至72V輸入電壓范圍。該 IC 的絕對最大額定值為 80V，工作條件為 8V 與 72V，電池動態過壓建議為 10V 與 70V。

該 IC 根據 VDA320 建議進行了全面測試。例如，圖4顯示了在超過VDA320建議的條件下進行的測試之一，即瞬態過壓測試：

V在= 14V 至 72V

V外= 12V

0A 負載 400kHz，脈寬調制

圖4.瞬態過壓測試。

該 IC 還根據 EMI CISPR25 5 類規范進行了電磁輻射測試。例如，圖5顯示了使用200MHz至1GHz對數周期（水平）天線執行的眾多EMI測試之一。IC的發射水平遠低于極限。

圖5.符合 EMI CISPR25 5 類規范。

轉換器提供高達 1A 的電流。輸出電壓可在 0.8V 至 90%V 范圍內編程在.-40°C至+125°C范圍內的反饋電壓調節精度為±1.5%。該 IC 采用峰值電流模式控制架構，可在脈寬調制 （PWM） 或脈沖頻率調制 （PFM） 控制方案中工作。該 IC 采用 12 引腳 （3mm x 3mm） 側面可潤濕 TDFN 封裝，帶有用于散熱的裸露焊盤。圖6所示為48V至16V典型應用電路。

圖6.785在至 16V外具有400kHz開關頻率的降壓轉換器。

高效率

為了獲得最大的靈活性，IC有兩種工作模式。PFM在整個工作范圍內提供高效率，但輸出電壓紋波高于PWM。PWM 操作（圖 7）可在所有負載下提供恒定頻率操作，適用于對開關頻率敏感的應用。因此，輕負載時的開關損耗更高，MAX20059在48V電壓下>可實現90%的峰值效率。在至 16V外.

圖7.48在至 16V外400kHz時的降壓轉換器效率。

結論

汽車環境正在經歷史詩般的轉變。由于燃料排放標準的日益嚴格，汽油發動機處于下降拋物線上，最終將以全電動汽車結束。與此同時，像48V MHEV這樣的混合實現正在激增。我們重點介紹了設計在惡劣的48V汽車環境中運行的穩壓器所面臨的挑戰，并介紹了一款高壓前端降壓轉換器，該轉換器對輸入電壓靜態和動態變化具有高容差、低EMI和高效率。

審核編輯：郭婷