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未来汽车将搭载更多技术

2019-07-17

随着电子系统取代手动和机动组件,电力将为先进的油电混合动力汽车 (HEV) 和电动汽车 (EV) 提供更多动力,同时减少 CO2 排放。鉴于所有这些趋势,未来的驾驶必将与现在大不相同。除了与其他汽车进行通信之外,减排的混合动力汽车和自动驾驶的零排放电动汽车还需要在汽车各个系统内部进行通信,以及与城市和道路基础设施进行通信。Texas Instruments (TI) 的白皮书“Driving the Green Revolution in Transportation”(推动交通运输领域的绿色革命)中进一步详细探讨了混合动力汽车和电动汽车的优势。

以下几大主要因素极大推动了消费者对混合动力汽车和电动汽车的需求:

  • 内燃机的环境法规压力
  • 电力传动系统和电池技术的进步
  • 消费者对便利性和信息娱乐功能的期待

但是,这些创新技术的功率负载要求日益提高,超出了传统的 12 V 铅酸电池的容量限制,从而成为一大制约因素。汽车行业推出了一种解决方案,旨在满足持续增长的电气化需求。他们开发了 48 V 辅助电气系统,提供比传统 12 V 电池更多的电能。但是,出于安全和绝缘控制的目的,这些高电压系统需要广泛的隔离,以保护驾驶员和乘客的安全,防止遭到电击,并且要避免系统安全故障。

为了帮助克服这些设计挑战,打造更安全高效的交通运输系统,TI 提供了众多解决方案和设计辅助工具。下面我们将介绍一些此类零件和参考设计选择。

TIDA – Texas Instruments 参考设计

TIDA-03040 – 基于分流器的汽车级 ±500 A 精密电流检测参考设计:TI 这种基于分流器的电流传感器参考设计(图 1)提供小于 0.2% 的 FSR 精度,工作温度范围为 -40°C 至 +125°C。很多汽车应用都需要精密电流检测,包括电池管理系统、电机电流等。这些关键应用的精度不佳,通常是因非线性、温度漂移和分流器容差而导致。此设计通过使用 TI 的分流监视器 (INA240) 和信号调节器 (PGA400-Q1) 解决了这些问题。

Texas Instruments 的 TIDA-03040 参考设计方框图

图 1:Texas Instruments 的 TIDA-03040 参考设计方框图,适用于基于分流器的汽车级 ±500 A 精密电流传感器。(图片来源:Texas Instruments)

TIDA-03050 - mA-kA 范围的汽车级分流传感器参考设计:在此参考设计中,我们使用母线类型的分流电阻器,来检测 mA 至 KA 范围的电流。电动和混动汽车对高容量电池的需求持续增长,这迫使我们扩大工作电流范围,采用高度精确的电流传感器来满足监控需求。由于存在大量的系统噪声,精确测量三个不同量级(mA 至 A、1 A 至 100 A、100 A 至 1,000 A)的电流成为一大严峻挑战。为了解决这个问题,此设计使用了 TI 高分辨率模数转换器 (ADC) 和高精度分流监视器。

TIDA-01604 - 用于 HEV/EV 车载充电器的 98.6% 能效、6.6-kW 图腾柱 PFC 参考设计:此参考设计(图 2)的基础是碳化硅 (SiC) MOSFET,由带有 SiC 隔离式栅极驱动器的 C2000 MCU 所驱动。此设计实现了三相交错,在连续导通模式 (CCM) 下工作,在 240 V 输入和 6.6 kW 全功率下,能效达到 98.46%。由于 C2000 MCU 实现了切相和自适应空载时间控制,因而改善了轻负载功率因数。栅极驱动器板(请参见下文讨论的 TIDA-01605)可以提供 4 A 拉电流和 6 A 峰值灌电流,同时实现增强的隔离和耐受力,具有 100 V/ns 以上的共模瞬态抗扰度 (CMTI)。该栅极驱动器板还包含两级断开电路,如果发生短路情况,可以防止 MOSFET 出现电压过冲。

Texas Instruments 用于 HEV/EV 车载充电器的 TIDA-01604 参考设计图片

图 2:Texas Instruments 用于 HEV/EV 车载充电器的 TIDA-01604 参考设计(图片来源:Texas Instruments)

TIDA-01605 - 提供两级断开保护的汽车级双通道 SiC MOSFET 栅极驱动器参考设计:这种 TI 参考设计采用了汽车级隔离式栅极驱动器解决方案,用于驱动半桥配置的 SiC MOSFET。此设计包括两个用于双通道隔离式栅极驱动器的推挽偏置电源,每个电源能够提供 +15 V 和 -4 V 输出电压以及 1 W 输出功率。如上文所述,此栅极驱动器能够提供 4 A 拉电流和 6 A 峰值灌电流。它的增强隔离能够耐受 8 kV 峰值电压和 5.7 kV RMS 隔离电压,且 CMTI 大于 100 V/ns。同样如上文所述,此板还包含两级断开电路,如果发生短路情况,可以防止 MOSFET 出现电压过冲。此设计的第二级断开具有可配置的 DESAT 检测阈值和延迟时间。为了连接故障和复位信号,我们使用了 ISO7721-Q1 数字隔离器。总体而言,此参考设计适用于 40 × 40 mm 紧凑外形的双层印刷电路板 (PCB)。

TIDA-01168 - 用于 12 V/48 V 汽车系统的双向 DC-DC 转换器参考设计:此参考设计作为 12 V/48 V 汽车系统的 4 相双向 DC-DC 转换器开发平台。该系统使用一个 TMS320F28027F MCU 和两个 LM5170-Q1 电流控制器,用于功率级控制。C2000 MCU 提供电压反馈,而 LM5170-Q1 子系统则使用平均电流反馈来进行电流控制。使用这种控制方案时,无需多相转换器通常需要的相电流平衡。基于 LM5170-Q1 的系统可以实现高集成度,减小占用的 PCB 面积,简化设计,加快开发速度。

产品

ISO7731-Q1ISO773x-Q1 器件系列属高性能三通道数字隔离器,额定隔离电压达到 5,000 VRMS(DW 封装)和 3000 VRMS(DBQ 封装),符合 UL 1577 标准要求。该系列具有符合 CQC、CSA、TUV 和 VDE 标准的增强隔离等级。这些器件在低功耗条件下具有很高的抗电磁干扰能力及低辐射性能,可隔离 CMOS 或 LVCMOS 数字 I/O。在每个隔离通道中,通过二氧化硅 (SiO2) 绝缘栅将逻辑输入和输出缓冲器隔离。器件的使能引脚可用于将相应输出置于高阻抗水平,因而能够用于多主控驱动应用并降低功耗。ISO7730-Q1 器件的所有三个通道处于相同方向,ISO7731-Q1 器件则具有两个正向通道和一个反向通道。如果出现输入功率或信号损失,则后缀为“F”的器件默认输出为低电平,后缀没有“F”的器件则默认输出为高电平。

UCC21520-Q1:该器件为隔离式双通道栅极驱动器(图 3)。它提供 4 A 拉电流和 6 A 峰值灌电流。该器件设计用于驱动高达 5 MHz 的功率 MOSFET、SiC MOSFET 和 IGBT,具有低传播延迟和脉宽失真。输入端和两个输出驱动器由 5.7 kVRMS 增强型隔离栅隔离,最小 CMTI 为 100 V/ns。两个次级侧驱动器之间具有内部功能性隔离能力,可支持高达 1500 VDC 的工作电压。该器件的设计允许将每个驱动器配置为两个低压侧驱动器、两个高压侧驱动器或一个空载时间 (DT) 可编程的半桥驱动器。两个输出均可通过禁用引脚同时关闭,因而在开路或接地时,可以正常工作。作为一种故障安全措施,初级侧逻辑故障会迫使两个输出保持低电平。

Texas Instruments 的 UCC21520-Q1 隔离式双通道栅极驱动器功能框图

图 3:Texas Instruments 的 UCC21520-Q1 隔离式双通道栅极驱动器功能框图。(图片来源:Texas Instruments)

UCC21222-Q1:这种隔离式双通道栅极驱动器具有可编程的空载时间和宽温度范围,能在极端温度条件下保持一致的性能和耐用性。它提供 4 A 峰值拉电流和 6 A 峰值灌电流,设计用于驱动功率 MOSFET、IGBT 和 GaN 晶体管。UCC21222-Q1 提供多种配置:两个低压侧驱动器、两个高压侧驱动器或一个半桥驱动器。5 ns 延时匹配性能可允许并行提供两个输出,从而在高负载条件下将驱动强度增加一倍,而不会产生内部击穿风险。两个输出驱动器通过 3.0 kVRMS 隔离栅与输入端隔离,最小 CMTI 为 100 V/ns。

LM5170-Q1:LM5170-Q1 控制器为 48 V 和 12 V 双电池汽车系统的双通道双向转换器提供了必要的高电压、高精度元件。为此,该器件按照 DIR 输入信号指定的方向,来调节高压和低压端口之间的平均电流。电流调节水平通过模拟或数字 PWM 输入设定。双通道差分电流检测放大器和专用通道电流监控器实现了 1% 的典型电流精度。5 A 半桥栅极驱动器能够驱动每个通道功率不低于 500 W 的并联 MOSFET 开关。此外,同步整流器的二极管仿真模式不仅可避免出现负电流,而且还支持通过非连续工作模式提高轻载效率。该器件集成了众多保护功能,包括 MOSFET 故障检测、高电压和低电压端口过压保护、逐周期电流限制和超温保护。

INA301-Q1:该器件同时包括了高共模电流检测放大器和高速比较器,旨在提供过流保护。其实现方法是测量电流检测或分流电阻器两端的电压,并将其与定义的阈值限制相比较。INA301-Q1 具有可调限制阈值范围,该范围可利用单个外部限值设定电阻器来进行设置。该分流监控器可测量共模电压下的差分电压信号,其中共模电压可在 0 V 至 36 V 之间变化并独立于供电电压。开漏警报输出可选择进行配置,以运行在输出状态与输入状态保持一致的透明模式下,或者运行在闭锁重置时清除警报输出的闭锁模式下。器件警报响应时间不足 1 µs 时,将会启动快速过流事件检测。

INA240-Q1:汽车级 INA240-Q1 是一款电压输出、电流检测放大器,带有增强 PWM 抑制。它能够在 -4 V 至 80 V 的宽共模电压范围内,检测分流电阻器两端的压降,且不受供电电压影响。负共模电压的优点是:它允许器件的工作电压低于接地电压,从而可适应典型螺线管应用的反激周期。该器件的增强 PWM 抑制功能可为使用 PWM 信号的系统(包括电机驱动和螺线管控制系统)中的较大共模瞬变 (ΔV/Δt) 进行高水平的抑制。该功能可确保精确测量电流,而不会使输出电压产生较大的瞬变及相应的恢复纹波。INA240-Q1 采用 2.7 V 至 5.5 V 的单电源供电,最大电流消耗为 2.4 mA。当前有四种固定增益可用:20 V/V、50 V/V、100 V/V 和 200 V/V。该器件的低偏移、零飘移架构能够以低至 10 mV(满量程)的最大分流器压降实现电流检测。1 级版本采用 8 引脚 TSSOP 封装和 8 引脚 SOIC 封装,在 -40°C 至 +125°C 的扩展温度范围内工作。0 级版本仅采用 8 引脚 SOIC 封装,在 -40°C 至 +150°C 的扩展温度范围内工作。

AMC1305M05-Q1:这是一款精密三角积分 (ΔΣ) 调制器,通过一个高度抗电磁干扰的电容式双隔离栅将输出与输入电路分开(图 4)。隔离栅符合 DIN V VDE V 0884-10、UL1577 和 CSA 标准,能够提供高达 7,000 V 峰值的增强隔离。AMC1305M05-Q1 配合隔离式电源使用时,能够防止高共模电压线路上的噪声电流进入本地系统接地,避免干扰或损坏低压电路。该器件经过优化,可以直接连接分流电阻器或其它低电压电平信号源,同时支持出色的 AC 和 DC 性能。通常,分流电阻器可在车载充电器、牵引逆变器或其他此类汽车应用中检测电流。通过使用适当的数字滤波器(例如集成在 TMS320F2837x 上的滤波器)来抽取十分之一位流,该器件可在 78 kSPS 数据速率下达到 16 位分辨率,动态范围达 85 dB (13.8 ENOB)。

Texas Instruments 的 AMC1305M05-Q1 精密三角积 (ΔΣ) 调制器简化原理图

图 4:Texas Instruments 的 AMC1305M05-Q1 精密三角积分 (ΔΣ) 调制器简化原理图。(图片来源:Texas Instruments)

TMS320F28069M汽车级 F2806x Piccolo 系列 MCU 具有 C28x 内核和 CLA 的强大性能,同时这些低引脚数器件还带有高度集成的控制外设。这些器件兼容以前的基于 C28x 的代码,并拥有更高的模拟集成度。其他特性还包括内部稳压器和对 HRPWM 模块的增强,前者用于单电源操作,后者用于双边沿控制(频率调制)。此外,还添加了内置 10 位基准的模拟比较器,可直接连接,以控制 ePWM 输出。该 ADC 具有实现低开销和低延迟的优化接口,可在 0 至 3.3 V 固定满量程范围内转换,并支持比率计 VREFHI/VREFLO 基准。

ISO1042-Q1:这是一款电位隔离型控制器局域网 (CAN) 收发器,规格符合 ISO11898-2 (2016) 标准。ISO1042-Q1 提供 ±70 VDC 的总线故障保护能力,共模电压范围为 ±30 V。它在 CAN FD 模式下支持高达 5 Mbps 的数据速率,与传统 CAN 相比,可实现更快速的有效载荷传输。该器件中带有一个 SiO2 绝缘栅,可耐受 5,000 VRMS 的电压,工作电压达 1,060 VRMS。ISO1042-Q1 的电磁兼容性得到了显著增强,可提供系统级 ESD、EFT 和浪涌保护并符合辐射标准。配合隔离式电源使用时,该器件能够帮助防止高电压和噪声电流从总线进入本地接地。ISO1042-Q1 同时适用于基本型和增强型隔离应用,支持从 -40°C 到 +125°C 的宽环境温度范围。该器件采用两种封装尺寸,即 SOIC-16 (DW) 封装和较小的 SOIC-8 (DWV) 封装。

总结

汽车行业的未来一片光明。但是,在环保法规和消费者需求的推动下,汽车需增加更多功能,因而汽车设计也将变得更加复杂。为帮助支持这些功能,Texas Instruments 现在提供众多参考设计和产品,这有助于缩短设计时间,更快向消费者推出这些未来汽车设计。

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