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以高效率、低噪声的电源系统解决方案引领 48V 轻混系统的潮流

时间：2019-09-19 16:09来源：21Dianyuan

摘要：IHSMarkit数据显示，自2020年开始，48V轻混系统车型将在中国迎来高速发展期，2020-2025年间的年均增长率高达85%，销量也将从49万台增长到1050万台。

全球经济不确定性大增的背景下，市场下行压力渐显，传统汽车业务急剧萎缩。在这当口，48V轻混系统却进入蓬勃发展期——因其节能减排效果出众，且无需对成熟的燃油车结构进行大幅改动即可升级，广受奥迪、奔驰、吉利等国内外一线大厂的青睐，市场前景向好。IHS Markit数据显示，自2020年开始，48V轻混系统车型将在中国迎来高速发展期，2020-2025年间的年均增长率高达85%，销量也将从49万台增长到1050万台。

 
图1：2020-2025年中国48V轻混车型销量 来源：IHS Markit
 
满足汽车电动化、智能化带来的高功率需求的同时，48V轻混系统还可降低配电损耗、改善整体效率。但48V轻混系统的高降压、存在众多不同功能特性的汽车电子等，对电源系统提出了更高要求。本文将以超低噪声的高功率单片式Silent Switcher® 2稳压器LT8645S为例，谈谈48V轻混系统及其电源选择。高性能模拟芯片公司ADI的Silent Switcher®系列广为人知，持续领先业界1-2代的高效率、低EMI和小尺寸特性，让其成为业内标杆。
 
过渡优选：48V轻混系统正当时
从硬件上来说，48V轻混系统由电机、动力电池组（锂电池）以及电压控制器（DC-DC转换器）组成。基于燃油车架构，48V轻混系统只需加装一个48V电池、一个用以取代传统起动机和发电机的BSG（皮带传动启动/发电一体化）电机以及48V/12V的双向DC转换器即可。虽然后续还是存在开发、验证环节，但在工程人员的知识体系上，48V轻混系统与传统油动车一脉相承。在节能减排的大方向下，相比于完全变更架构至纯电系统，48V轻混系统可节省极大的时间、人力、资源成本，非常适合拥有大量燃油车产能和人才资源的传统大厂。
 
在48V轻混系统中，传统的低功率需求应用，如点火、照明、娱乐系统等，可继续使用12V的直流电，降低成本；空调压缩机、起动电机、制动能量回收等大功率应用则使用48V电压。德尔福、博世以及法雷奥的宣传资料均表示，48V轻混系统仅需要高压混动系统30%的成本，即可达到其70%的效果，性价比非常高。
 
具体而言，48V轻混系统有如下优势：
1. 相对于12V系统，电压升高，同功率下电流更低、损耗更小，同时对线束的要求更低，更适应整车轻量化趋势；
2. 相比高压混动系统，最高电压低于60V的安全电压，无需额外的电压防护，成本优势更大；
3. 传统依靠发动机来负载的空调压缩机、冷却水泵等设备可调至电池来负载，从而有效降低发动机的负荷，并且在发动机关闭的情况下，负载仍可继续工作，更为节能；
4. BSG/ISG技术和ISG技术可助力进一步缩小发动机的体积，进而降低排放，且利用电动涡轮替代机械涡轮，还能进一步提高发动机的效率。
 
挑战当前：效率、噪声及尺寸
48V轻混系统改装方便，但由于48V/12V的高压差以及功率传输方式的变化，都对电源系统提出了新的挑战，尤其是如何保持与12V系统相似的转换效率、低EMI和小尺寸。目前，能够接受48V标称输入的单片式降压型稳压器数量有限，它们大多支持小于5A的负载电流。作为Silent Switcher® 2系列的重点产品，LT8645S可依靠高达65V的输入电压支持8A负载，其40ns的最短接通时间 (TON) 和快速干净的开关边沿（如下图）可实现高开关频率和高效率 (在 2MHz 时高达 94%)，使工程设计人员能够优化效率，同时避开关键噪声敏感频段，非常适合48V轻混系统汽车应用。

 
图2：LT8645S采用MOSFET驱动器设计，可产生快速、干净的开关边沿。
 
集成化补偿电路和旁路电容器最大限度减小了总体解决方案尺寸，并简化了低EMI布局。利用一个简单的铁氧体磁珠滤波器，LT8645S能够通过CISPR 25 Class 5 EMI规格限制，并留有裕度。

 
图3：采用LT8645S的超低EMI 5V/8A应用及其效率
 
得益于40ns的最短接通时间，LT8645S拥有支持高降压比的非凡能力，即使工作在高开关频率时。例如，LT8645S能在1MHz开关频率下从一个高达30V的输入产生1.8V输出。如果可以接受跳过某些开关周期，输入可升高至65V的绝对最大额定值。
 
当输出低于3.1V时，LT8645S的BIAS引脚应连接至一个高于3.1V的外部电源以改善效率。如果没有这样的电源可用，则将BIAS引脚连接至GND。下图所示为一款可在65V输入瞬变情况下正常工作的1MHz 1.8V/8A解决方案。

 
图4：采用LT8645S的1MHz 1.8V/8A应用电路能承受高达65V的输入瞬变
 
LT8645S独特的设计可在所有条件下保持仅为60mV(在 1A)的最低压差电压，从而使该器件能够在冷车发动等情况下表现出色。LT8645S的32引线、4mm x 6mm LQFN封装和高开关频率允许使用小型外部电感器和电容器，因此可构成占板面积紧凑和高热效率的解决方案。LT8645S的突发模式(Burst Mode®)运行提供仅为2.5µA的静态电流，适用于汽车中的始终保持接通系统等，可大幅延长电池运行寿命。
 
未来C位：众人拾柴火焰高 
目前，48V轻混系统的市场表现亮眼：德系三大豪华品牌奥迪、宝马、奔驰均有多款车型应用；自主品牌方面，吉利从轿车、SUV到MPV均实现了多品类的全覆盖，比亚迪、长安、吉瑞也均在发力；甚至一直以强混称霸市场的日系车企也都已有所动作。兜兜转转多年之后，48V轻混系统从被忽视、放弃又重回市场、渐成主流，未来更有望站上“C位”。汽车工程师也应对超低EMI、高开关频率下提供高效率的LT8645S等高性能器件保持更高关注，以更好应对日趋严峻的汽车市场。
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