編者按：近年來(lái)，在對(duì)節(jié)能和環(huán)保性能要求越來(lái)越高的汽車領(lǐng)域，搭載48V電源系統(tǒng)的輕度混合動(dòng)力汽車備受矚目。然而，車載系統(tǒng)必須保持2MHz工作，而能夠從48V直接降壓到驅(qū)動(dòng)ECU所需的3.3V或5V的電源IC并不存在。為滿足新市場(chǎng)對(duì)電源IC的需求，羅姆開發(fā)出超高速脈沖控制技術(shù)“Nano Pulse Control”，實(shí)現(xiàn)了“電源系統(tǒng)的單芯片化”。

由于全球溫室效應(yīng)，各個(gè)國(guó)家對(duì)于二氧化碳的排放標(biāo)準(zhǔn)，都制定了各樣的嚴(yán)格排放法律法規(guī)。例如歐洲制定的標(biāo)準(zhǔn)是要達(dá)到每公里95克碳排放。在這樣的背景下，采用電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的汽車設(shè)計(jì)在日益增多。預(yù)計(jì)到2024年采用48V電池的電動(dòng)車生產(chǎn)臺(tái)數(shù)要達(dá)到710萬(wàn)臺(tái)每年。

羅姆半導(dǎo)體(上海)有限公司設(shè)計(jì)中心高級(jí)工程師陳乃文

搭載48V輕混汽車市場(chǎng)日益擴(kuò)大

48V的輕度混合電動(dòng)車，它在原先的鉛電池之外，另外會(huì)搭載一個(gè)48V的鋰電池，作為一個(gè)雙電池系統(tǒng)去進(jìn)行供電。從鉛變?yōu)殇囯姵厮脑偕茉葱蕰?huì)提高。另外由于電壓提高它也會(huì)減少消耗的電流，所以從這方面來(lái)看，48V的一個(gè)輕度混合電動(dòng)車對(duì)燃油的經(jīng)濟(jì)性是有一個(gè)很大的提高。

ROHM半導(dǎo)體(上海)有限公司設(shè)計(jì)中心高級(jí)工程師陳乃文介紹，在電動(dòng)車這樣一個(gè)領(lǐng)域，其實(shí)不光是48V輕度動(dòng)的電動(dòng)車，還有比如強(qiáng)混的電動(dòng)車，以及插電式的電動(dòng)車。雖然說(shuō)插電式的電動(dòng)車它的二氧化碳的減排性能最好，但是相應(yīng)的它成本的增加就會(huì)比較大。而48V輕度混合的電動(dòng)車，它的二氧化碳減排效果是達(dá)到15%-20%，而相應(yīng)的它增加的成本是在1500歐元以下。所以綜合這兩點(diǎn)來(lái)看的話，48V輕度混合電動(dòng)車，具有比較好的價(jià)格，以及比較好的二氧化碳的減排的效果。而且它也比較容易導(dǎo)入各種尺寸的車輛，而不限于汽車的車型。

采用48V電池汽車的發(fā)展史。從2009年開始，在德國(guó)汽車業(yè)內(nèi)就開始討論48V系統(tǒng)的開發(fā)，然后到2013年末，大眾、奧迪、寶馬等有5家汽車制造商，聯(lián)合制定并且推出48V系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)LV148。目前在奧迪A8上面也是采用48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)作為它的標(biāo)準(zhǔn)配置。另外在今年5月份展會(huì)，發(fā)布了2017年戴姆勒S級(jí)的車型，決定搭載了博士的48V驅(qū)動(dòng)。另外在雷諾風(fēng)景還有奧迪SQ7中都采用這樣的電源結(jié)構(gòu)。

為何要48V？

在目前的輕混汽車?yán)?，普遍采用的是雙電池供電結(jié)構(gòu)。一個(gè)是12V的鉛電池車的系統(tǒng)，它通過引擎直接給12V鉛電池去充電，一些負(fù)載電流小的系統(tǒng)，比如音響、儀表、雨刷等等，它是用12V的電池進(jìn)行供電。而另一個(gè)48V電池系統(tǒng)，可以對(duì)負(fù)載電流比較大的，比如空調(diào)、車燈、風(fēng)扇等電機(jī)類進(jìn)行供電。另外48V的混合動(dòng)力系統(tǒng)還有一個(gè)再生能源的功能。

從電源方面進(jìn)行比較的話，可以很直觀的看到，傳統(tǒng)的12V鉛電池車，用12V直接轉(zhuǎn)化到3.3v或者5v，去給一些電子的控制單元去供電。而目前48V的一個(gè)電池車，它的輸入電壓有大幅的提升，一下提高到48V，所以對(duì)于整個(gè)電源設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，就變得比較嚴(yán)苛。因?yàn)樗匀灰?8V的電源輸入，但要達(dá)到和原先相同的3.3v或者5v的輸出電壓，以給電子控制單元進(jìn)行供電。

在運(yùn)行相同負(fù)載的時(shí)候，提高電壓可以相應(yīng)的減少電流，而電流減少也可以使得全車使用的線束變細(xì)，從而車體可以做的更輕。而車體做的更輕他的消耗電流也會(huì)更少，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

因此，提出到48V就是基于節(jié)能降耗這一核心目標(biāo)。

48V如何直降5V或者3.3V？

由更高的輸入電壓，生成更低的輸出電壓，這對(duì)于電源IC的設(shè)計(jì)來(lái)講有兩點(diǎn)非常至關(guān)重要。第一點(diǎn)是高耐壓，第二點(diǎn)高頻率。而實(shí)現(xiàn)這兩點(diǎn)的技術(shù)課題的關(guān)鍵點(diǎn)，都在于脈沖的一個(gè)寬度，如何實(shí)現(xiàn)更窄脈沖成為技術(shù)難點(diǎn)。

陳乃文表示，目前，在車載以及工業(yè)設(shè)備市場(chǎng)，它在輸出電壓3.3v，頻率在2MHz時(shí)，對(duì)于輸入電壓的需要最大電壓是要達(dá)到60v，但是目前整個(gè)市面上沒有芯片可以達(dá)到這樣的要求。而從脈沖的寬度來(lái)看，輸入電壓提高，就意味著脈沖的寬度要縮窄，而在滿足2MHz工作，輸入電壓要提高到60v，并且要保證輸出電壓3.3v的話，它至少需要20納秒的脈沖寬度。所以從這一部分來(lái)看，目前市面上也沒有能滿足這樣條件的一個(gè)芯片。

      陳乃文認(rèn)為，電壓升高對(duì)于元器件的耐壓能力也要做一個(gè)很大的提升，另外抗噪聲的干擾成份也會(huì)增加，還有脈沖的寬度會(huì)進(jìn)行很大幅度的縮減，所以高耐壓化的課題關(guān)鍵點(diǎn)在于窄脈沖的控制技術(shù)。

另外是高頻化的課題，頻率升高，元器件的寄生電容產(chǎn)生的影響也會(huì)增大。另外，同樣的噪聲干擾成份會(huì)增加，所以高頻化課題也在于窄脈沖控制技術(shù)。

為了確保短路等等異常情況下，仍然能夠保證芯片工作的安全性，所以要解決這樣的問題，即使脈沖寬度非常窄，也要建立一個(gè)電流模式控制。以此來(lái)保證輸出電壓能夠穩(wěn)定，而不受任何因素的影響。由此解決這一課題的窄脈寬控制技術(shù)就誕生了。所謂窄脈寬控制技術(shù)簡(jiǎn)單來(lái)講，它是羅姆凝聚了電路設(shè)計(jì)、布局、工藝三大尖端技術(shù)，而實(shí)現(xiàn)的超高速脈沖控制技術(shù)。在以往很困難的短開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)，仍然可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的一個(gè)電壓控制，這就是窄脈寬控制技術(shù)的定義。很直觀的我們可以看到窄脈寬控制技術(shù)的應(yīng)用，它有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，第一它可以節(jié)省空間；第二它實(shí)現(xiàn)了單芯片化。在同樣的輸入電壓和輸出電壓的條件下，由原先必須使用兩級(jí)的DC/DC去設(shè)計(jì)，而變?yōu)橹恍枰活w芯片就可以完成，單芯片化也是這款芯片體現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)之一。

創(chuàng)新的電源IC“BD9V100MUF-C”

基于對(duì)電源與半導(dǎo)體工藝的創(chuàng)新，羅姆運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)開發(fā)了電源IC“BD9V100MUF-C”，這是一顆擁有諸多特性的電源轉(zhuǎn)換控制器。

據(jù)陳乃文介紹，首先這顆IC滿足了48V電池系統(tǒng)的需求，第一是系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，高降壓比；第二它的工作頻率，要避開廣播的頻段，AM的頻段是0.5M-1.7MHz，而車載的要求，需要開關(guān)頻率保持2MHz以上去進(jìn)行工作。所以基于這兩點(diǎn)，它所需要的脈沖的寬度，至少需要20納秒去實(shí)現(xiàn)。ROHM這款“BD9V100MUF-C”就基于這樣一個(gè)窄脈寬控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單芯片化。也就是原先60v-2.5v的電壓轉(zhuǎn)換必須使用2級(jí)DCDC去實(shí)現(xiàn)，首先從60v轉(zhuǎn)到12V，再?gòu)?2V轉(zhuǎn)到2.5v。使用這款芯片，單顆芯片就可以完成60v到2.5v這樣大幅度電壓的轉(zhuǎn)換。由此可以有助于簡(jiǎn)化整個(gè)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也使得整體設(shè)計(jì)面積有很大程度的降低。它在整個(gè)實(shí)際PCB的設(shè)計(jì)當(dāng)中，可以做到更加的小型化，由于高頻率，外圍使用的電感也可以變得更小型，整個(gè)PCB的面積降低有70%之多。

另外，芯片也內(nèi)置了一些保護(hù)的功能。這是一個(gè)短路保護(hù)的設(shè)計(jì)。分為SW引腳的短路，以及輸出電壓的短路。保護(hù)芯片的時(shí)間，等于檢測(cè)出過電流的時(shí)間加上關(guān)斷芯片的時(shí)間，而這個(gè)時(shí)間如果大于20納秒的話，芯片就有被破壞的風(fēng)險(xiǎn)，所以必須在這樣異常的條件下，去設(shè)計(jì)芯片的一個(gè)保護(hù)的機(jī)制，以保證芯片不會(huì)被破壞。羅姆也對(duì)此款芯片進(jìn)行了破壞性的實(shí)驗(yàn)，無(wú)論是輸出短路，還是SW引腳的短路，芯片都不會(huì)被破壞，它很好的使開關(guān)進(jìn)行關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了芯片保護(hù)。

此款芯片也采用了焊料潤(rùn)濕性非常優(yōu)異的一個(gè)QFN4×4的封裝，它使得貼裝的良率更加的提高。這款“BD9V100MUF-C”目前可以提供樣品，計(jì)劃在今年年底會(huì)開始量產(chǎn)，預(yù)計(jì)今年也會(huì)推出面向工業(yè)設(shè)備市場(chǎng)的一些產(chǎn)品。

陳乃文不服水土，接下來(lái)羅姆還會(huì)基于窄脈沖控制技術(shù)，開發(fā)更多的升壓以及升降壓或者PMIC等等產(chǎn)品。