汽车电气化如何促进电压板网的演进 德州仪器提出解决方案

德州仪器系统架构师Arun Vemuri、汽车动力部门经理Karl-Heinz Steinmetz针对汽车电气化如何促进电压板网的演进提出解决方案。

随着自动驾驶功能的发展以及舒适性、便利性和资讯娱乐功能的普及，车内电能的需求不断增加。现今的汽车有愈来愈多的感测器、致动器以及读取感测器并控制致动器的电子控制模组 (ECU)。同时，混合动力汽车和电动汽车的需求不断增加，能源效率成为重要的设计目标。毕竟，提高效率可增加车辆的行驶里程。

为了提高电源效率，汽车设计工程师在汽车中采用高电压板网。使用较高电压的板网不仅有助于减轻车辆的整体重量 (例如，减少线束重量)，也不需要进行电压电平转换，因为较高的电压可以直接对致动器供电。

虽然使用单一高电压板网似乎是最好的，不过由于不同致动器和 ECU 的功率要求不断变化，实际上汽车系统设计工程师会在车辆中安装两到三个电压板网。本文将探讨汽车设计工程师在下一代汽车架构设计中会考量的电压板网。我们也会让您一同了解关系产品及资源，以协助您解决各种不同板网相关的技术问题。

依据国际标准化组织 (ISO) 7637-2 和 ISO 16750-2 标准的规定，传统12 V 板网的电压范围很广。虽然以内燃引擎车来说，这些需求不会改变，但若是在混合动力汽车和电动汽车中使用 12 V 电压，将可以降低最大电压值，尤其在 12 V 汇流排没有交流发电机的情况下，也就是当12 V 板网所需要的电源皆来自将高电压转换为 12 V 的高效率 DC/DC 转换器，在这种情况下，较低输入的电压调节器将可用于导入 ECU 中的电源管理解决方案。

设计工程师可以自由搭配系列汽车规格产品，解决12-V板网供电的控制模型上各式不同技术问题，产品包含电源管理、放大器、收发器、引擎驱动器及智慧电力开关。

48-V板网通常用于需要高电力的电力负载中。由48 V电压供电的具体负载依不同车辆类型而定。无论何种模组，连接到48-V板网的控制模组皆需要有效率且有高电力密度的电力管理装置，并且需可承受ISO21780中规范的指定操作电压。若ECU同时与12-V板网连接，这些模组则需要功能隔离。有效率的多阶48-V闸极驱动器需有功能安全机制来驱动像皮带驱动启动电机或HVAC AC 压缩机模组的48-V 致动器。功能安全机制的需求引发了加装诊断线路的需求，譬如侦测负载电流。安装48-V 电力板网也会需要透过48-V电池管理系统达到有效率的、精确的负电状态及健康状态管理。

为了增加48 V板网系统的效率、提高其电力密度并达到功能安全，设计工程师可以运用像降压稳压器、三段式闸极驱动器和电池管理系统等产品，并配合各式电流及伏特扩大感应器使用。

电动汽车的电池系统产生的电压比一般车辆高上许多。牵引逆变器及HVAC AC压缩机模组等高电力负载是由高电压板网直接供电。这意味着用来驱动这些高电压负载的电功率需能承载高运作电压并且需要共模瞬变抑制（CMTI）。此外，密集地导入解决方案需要高电力密度闸极驱动器及电功率。使用多个电板网也需要在控制模组中区隔低电压及高电压区域以确保正常运作。高电压的使用可能会需要的设计不仅需能满足电力安全需求，也会需要令人满意的功能安全。后者将导入有诊断特征的功能变得必要，导致这些系统中电流、电压和温度侦测解决方案的追加。此外，能进行精确的负电状态及健康状态管理，并且能维持良好电池均匀度的高效能高电压电池管理系统也是必要的。

高电压闸极驱动器、电池管理系统、电力及讯号阻隔器及高速扩大器皆为广泛系列产品中，设计工程师可以选来优化，并且在高电压控制模组中解决效能、电力密度、功能安全和可靠度挑战的产品。

汽车设计工程师可以为12-V、48-V和高电压的板网选择一系列类比和嵌入式半导体装置。这些电源轨为设计具有高效率 ECU 的车辆架构提供弹性，而且有助于实现功率密度、可靠性和功能安全性设计目标。