如何緩解電動自行車續航焦慮？DC/DC轉換器技術有良方

作者 : 意法半導體

想緩解電動車用戶的續航里程焦慮，使用DC/DC轉換器是一個理想的解決方案。

全球暖化、自然資源稀缺和污染是全世界都在面臨的日益嚴重的環境問題。電動自行車是一種可以替代傳統內燃機汽車的綠色節能工具，是緩解環境問題的解決方案之一。中國大陸是全球最大的電動自行車市場，銷量由2017年的3,050萬輛成長至2021年的4,980萬輛，年複合成長率為13%，並在2021年占全球總銷量的75.9%。

直流-直流(DC/DC)轉換器是一種直流(DC)電源變壓電路。在不同的電動車電源配置中，連接電池和直流輸電線至少需用一個DC/DC轉換器。通過臨時存儲輸入電能，然後在不同電壓的輸出端釋放電能，DC/DC轉換器可以改變直流電壓值，從某一個電壓值變為另一個不同的數值。

儲能元件不是磁場型儲能元件(電感器、變壓器)就是電場型儲能元件(電容器)。通過調整工作週期(Duty Cycle, 開關管的通/斷時間比值)可以控制輸入和輸出之間的功率流。這樣做是為了控制輸出電壓、輸入電流、輸出電流或保持恆定功率。在電動車上，該轉換器主要用於供給輔助負載設備，例如喇叭、LED燈和其他週邊設備。

ST先進DC/DC轉換器為電動自行車發展賦能

意法半導體(STMicroelectronics, 以下簡稱ST)推出了新一代高整合度DC/DC轉換控制器L3751，提升了焚離式功率元件的開關性能。ST的控制器IC利用高性能柵極驅動器，控制MOSFET的高速開關操作，降低儲能元件的尺寸和射電輻射量。

L3751是一款工作電壓範圍6V至75V的通用DC/DC同步轉換控制器，應用範圍非常廣泛。新產品可以節省應用電路的外部元元件，簡化開發過程，同時縮減PCB尺寸。L3751 具有40 納秒的最短導通時間，在100 kHz – 1 MHz開關頻率範圍內具有極高的電壓轉換比。

該控制器採用脈衝跳躍模式，在輕負載時，可最大限度地提高能效，有效控制輸出電壓紋波。強制 PWM (FPWM) 模式在負載範圍內可以保持開關頻率恒定，並最大限度地減少輸出電壓紋波。片上整合的柵極驅動器可以最大限度地減少外部元件的數量，並且專為標準V_TH MOSFET優化設計。為了確保電動自行車等關鍵應用的安全，控制器內置全面的安全保護功能，包括輸出過流保護、輸入過低壓保護(Under Voltage Lockout, UVLO)、內部電壓監控、熱關斷。

圖1：典型應用電路原理圖。

圖2：簡化框圖。

L3751功能描述

L3751是一款基於恒定頻率電壓控制式架構的原生降壓轉換控制器。該晶片將回饋接腳(FB)檢測的輸出電壓V_OUT與內部參考電壓(0.8V)比較，然後在COMP接腳上提供誤差信號，最後根據COMP電壓值與內部可程式設計頻率鋸齒波的比較結果，控制外部功率開關管的導通時間。如圖2所示，內部主要模組包括：

• 穩壓器 : 為內部電路供電，提供內部固定參考電壓。該模組還實現了UVLO，用於監測輸入電壓和內部電壓；
• 整合外部N通道MOSFET的驅動器和自舉電容電路：為高邊開關驅動器供電
• 整合鋸齒波生成電路：根據內部可程式設計振盪器或輸入同步信號調節工作週期；為改善控制器對線路電壓瞬變的回應性能，實現了輸入電壓前饋電路
• 電壓模式誤差放大器
• PWM比較器和相關類比和數位電路：用於控制內部MOSFET的驅動器
• 軟啟動電路和參考電壓鉗位元器：用於在啟動階段限制浪湧電流
• 可調節的無感測器或精准穀流限制感測模組和打嗝電路；處理超載和短路情況
• 防止熱失控的熱關斷電路
• 輸出電壓監控電路：如果輸出電壓測量值在目標值的87%以上，就會發送PGOOD電源良好信號。

控制器的二極體模擬模式(DEM)可提高在輕負載時的應用能效。在輕負載時，DEM模式以 DCM 和脈衝跳躍方式運行，最大限度地提高輕負載能效，並控制輸出電壓紋波，以最大限度地減少轉換損耗。在負載範圍內的強制PWM(FPWM)模式可以保持開關頻率恒定，並最大限度地減少輸出電壓紋波，建議在感測器或類比電路的電源等低雜訊應用中使用DEM模式。

參考設計

ST為用戶提供基於L3751的參考設計，如圖3所示，適用於輸入直流電壓36-72V、輸出直流電壓12V、10A 的DC-DC轉換器。

圖3：L3751直流轉換器參考設計。

圖4：參考設計電路板原理圖。

電路描述

輸入級元件包括組成PI網路的大容量電容器、濾波電路(C₄、C₅ 和 L₁)，以減輕高頻開關操作引起的高頻射電輻射。輸入直流匯流排電壓連接控制器的V_IN接腳(接腳20)，在路徑中有串聯電阻。V_IN為控制器內部電路供電，同時供給內部LDO穩壓器，以產生 7.5V的Vcc 輸出電壓。V_IN還是內部柵極驅動器的電源。在接腳20上需要連接一個小的MLCC 電容。

通過輸入分壓電路在使能接腳(接腳1)上施加偏壓，以便在40V時啟用控制器，避免電池深度放電。一旦EN/UVLO接腳電壓超過1.2V典型值，軟啟動階段就會開始，SS/TRK接腳電壓上升，控制器啟動。為了在40V最小輸入電壓時控制器能夠運行，電阻R₁和R₆的阻值分別選擇100K 和 4.7K。為確保控制回路絕對穩定，並不受電容器類型的影響，控制器實現了III型補償器，為開發者提供了兩個零點和三個極點，確保相位裕度足以提高階躍負載的性能。

性能和測試結果

我們在各種負載條件下測試了電路板，並得到了能效和性能測試結果。

圖5：輸入電壓能效及負載變化。

結語

在中國大陸，來自政策端、技術端、市場端、需求端的新變革一起助推電動自行車行業加速發展。中國大陸日均兩輪外出次數超過10億，電動自行車是80%國民外出的選擇。據5G物聯網產業聯盟資料，預計中國電動自行車市場規模2021年增量市場將達6000萬輛。而高效的DC/DC轉換器等新技術可幫助電動車電子系統滿足更小、更高效、性能更好的需求，從而推動市場發展。

原文刊登於EDN China網站

活動簡介

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