罗姆:采用Nano Pulse Control技术实现48V电源系统的单芯片降压

2017-09-07 15:04:04 来源:EEFOCUS
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随着环境不断恶化,尤其是大城市情况更加严峻,交通部门对汽车的节能环保提出更严格的要求。一般汽车所搭载的电源系统是12V铅电池系统,用来为汽车的所有电气系统供电,但是所产生的问题是引擎负担较重。为了缓解电源系统的供电负担,市面上又出现了48V双电源系统,包含12V电源和48V电源,其中12V电源对负载电流小的系统,比如音响、仪表、雨刷等供电,48V电源对负载电流比较大的设备,如:空调、车灯、风扇等电气系统供电。对比之下,48V电源系统燃油经济性改善效果更好。

 

当汽车采用12V电源系统进行供电时,系统可以将12V轻松转化为3.3v或5v,而48V电源系统的输入电压一下子提高到了48V,整个电源系统设计也要相应的发生改变。从48V输入电压直接降到3.3v或5v的输出电压,对电压转换技术提出了严峻的挑战。

 

高速窄脉冲技术:突破高耐压和高频率的关键节点
在电源系统中,当工作频率升高,电子元器件的寄生电容所产生的影响也会增大,噪声干扰成份也随之增加。目前,在车载以及工业设备市场,要实现输出电压3.3v,频率2MHz,输入电压需要达到60v,目前市面上的芯片无法满足这一要求;从脉冲的宽度来看,输入电压提高,脉冲宽度就要缩窄,在频率为2MHz时,既要满足输入电压达到60v,又要保证输出电压为3.3v,脉冲宽度就要控制在20ns内,目前市面上的芯片也无法满足这一需求。

 

如何实现从更高的输入电压转换为更低的输出电压?这对电源IC的设计有两个要求:一是高耐压,二是高频率,解决这两个技术难题的关键技术是脉冲宽度控制。对于高耐压,电压升高要求元器件的耐压能力更高;抗噪声干扰成份增加,脉冲宽度会大幅度缩减,因此要实现高耐压就要实现窄脉冲控制。对于高频率,输入电源的频率升高,元器件的寄生电容产生的影响也会增大,噪声干扰成份也会增加,所以要解决高频化的难题也要先解决窄脉冲控制问题。

 

聚集电路设计、布局和工艺三大尖端技术,实现单芯片降压
提高输入电压,脉冲宽度必定要缩窄,否则就无法维持输出电压不变。为了确保在短路等异常情况下,芯片仍然能够安全工作,罗姆采用窄脉冲控制技术,在脉冲宽度非常窄的情况下,建立一个电流模式控制,从而保证输出电压能够稳定,且不受任何因素的影响。罗姆半导体(上海)有限公司设计中心高级工程师陈乃文解释,“罗姆充分利用电路设计、布局、工艺三大尖端技术,开发出超高速脉冲控制技术“Nano Pulse Control”,在以往很难实现的短开关导通时间内,仍然可以实现稳定的电压控制。窄脉宽控制技术的优势是,第一可以节省空间,第二实现了电源系统的单芯片化。非常有助于轻度混合动力汽车、工业机器人、基站的辅助电源等用48V电源系统驱动的应用的小型化和系统的简化。”

 

 

在同样的输入电压和输出电压的条件下,原来必须使用两级的DC/DC实现降压,目前采用Nano Pulse Control的电源IC“BD9V100MUF-C”,开关导通时间9ns,只需要一颗芯片就可以实现从60V到2.5V范围内的降压,降压比例高达24:1。

 


BD9V100MUF-C和同类产品做对比


对比结果:在输入电压加大的情况下,BD9V100MUF-C保持脉宽不变

 

在节能环保的驱动下,从2009年开始,在德国汽车业内就开始进行48V电源系统的开发,到2013年末,大众、奥迪、宝马等5家汽车制造商,联合制定并且推出48V系统的统一标准LV148。目前在奥迪A8上已经采用48V轻度混合动力系统作为标准配置。今年,戴姆勒S级的车型决定搭载博士的48V驱动。另外,在雷诺风景还有奥迪SQ7中都采用了这样的电源结构。罗姆半导体LSI商品开发本部电源解决方案LSI产品开发部电源技术开发课1组工程师福本洋佑表示,“虽然市面上搭载12V电源系统的汽车占80%左右,搭载48V电源系统的汽车只占20%左右。我们预测到2025年,这个比例会变成12V电源系统占70%,48V电源系统占30%。”

 

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作者简介
郭云云
郭云云

与非网北京站编辑,网名:咖啡不解困。混迹在电子社区,混迹在电子产业圈,虽不如工程师懂技术但也算半个电子人,喜欢听别人讲故事,喜欢思考电子圈的是是非非,更喜欢发表自己的“正理邪说”,时刻保持对所见所得的思考。

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