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  1. 充電機(jī):充電機(jī)一般有三塊電路,邏輯控制電路、交流輸入級(jí)和DC-DC;這三塊都是要隔離的,只有邏輯控制電路需要同12V鏈接在一起,其整體架構(gòu)可以通過單路的SBC來實(shí)現(xiàn)。
  2. DC-DC:也是前后兩級(jí),高壓級(jí)和低壓級(jí)。高壓級(jí)的控制,需要隔離,后面的12V,也可以用SBC。
  3. BMS:BMS分子單元和主單元;子單元的電壓軌道需要隔離;主單元一般有3~4路CAN,與子單元通信,與VCU通信還有診斷通路。
  4. 逆變器:逆變器的主要由控制邏輯電路、驅(qū)動(dòng)電路和功率部分所組成的,電源設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要是在驅(qū)動(dòng)電路的多路電源供給。

本文主要針對(duì)車載充電機(jī)部分進(jìn)行展開。

第一部分車載充電機(jī)

比如我們拿出一個(gè)典型的新能源汽車充電機(jī)的整體規(guī)格來看:

圖1 典型的新能源汽車車載充電機(jī)

在WEBENCH里面的實(shí)測結(jié)果如下:

圖2 WEBENCH的主體結(jié)果

那這個(gè)工具如何能幫到我們的工程師呢?這里我們就重點(diǎn)來對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行分解,一般的車載充電機(jī)可以分為:

  1. LLC
  2. 全橋
  3. 正激

其主體部分是高壓對(duì)高壓,對(duì)WEBENCH的要求比較高。

圖3典型充電機(jī)主拓?fù)?/p>

而我們整體勾勒出整個(gè)充電機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)可以看出:

  1. 主控電源的供給電路(非隔離電源)
  2. 充電機(jī)整個(gè)偏置電路的供給(隔離電源)

圖4 典型的新能源汽車車載充電機(jī)

第二部分 輔助電源設(shè)計(jì)

2.1 先來談汽車電子里面主控電源的供給電路:

電源設(shè)計(jì)是需要單獨(dú)進(jìn)行考慮的,主要考慮的問題如下:

  • 模塊電源分配:確認(rèn)其他電路模塊需要的電壓和電流
  • 模塊電源保護(hù):涉及三方面內(nèi)容,反接保護(hù)電路、瞬態(tài)抑制電路和靜電防護(hù)。
  • 模塊電源的管理策略:主要包含電壓幅度管理策略、靜電電流管理和睡眠喚醒策略三方面內(nèi)容

低功率LDO設(shè)計(jì):為邏輯電源、測量電路和傳感器設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源

  • 高功率DC-DC電源設(shè)計(jì):為功率需求較大的電路部分設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源,我們這里首先考慮使用DCDC的電源設(shè)計(jì)方法

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖5 汽車電子主控電源設(shè)計(jì)概覽

我們往常的設(shè)計(jì)流程為:

  1. 草案設(shè)計(jì),使用Matchad或者Excel將所有的參數(shù)進(jìn)行羅列和計(jì)算,將所有的器件設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)入至輸入級(jí)
  2. 仿真和最壞情況分析用Mathcad進(jìn)行初步計(jì)算,然后使用Saber做細(xì)節(jié)仿真
  3. 實(shí)測常溫下和各種輸入狀態(tài)下的情況
  4. 環(huán)境實(shí)驗(yàn)、EMC實(shí)驗(yàn)摸底
  5. 可靠性試驗(yàn)定性測試

在電源設(shè)計(jì)中,首要的是確認(rèn)電源的設(shè)計(jì)指標(biāo),器件選型:對(duì)于器件選型還需要可靠性知識(shí)和按照器件的降額標(biāo)準(zhǔn),關(guān)鍵元器件IC 、L、C、D,R選擇、評(píng)估與計(jì)算;

A.電源IC選型:最主要的三個(gè)參數(shù)是:輸入電壓、輸出電壓及最大輸出電流。據(jù)產(chǎn)品的工作電流來選擇:較合適的是工作電流最大值為電源IC最大輸出電流的70~90%。

B.電感選型:這里需要考慮的參數(shù)主要有,電感量,DCR(頻率高的還要考慮ACR),飽和電流Isat有效電流Irms

  • ? ???? 電感量L:導(dǎo)致DC-DC效率降低,相應(yīng)的電感成本也會(huì)增加。L越大,儲(chǔ)能能力越強(qiáng),紋波越小,所需的濾波電容也就小,L越大,通常要求電感尺寸也會(huì)變大,DCR增加。
  • ? ? ? 根據(jù)電感的精度,計(jì)算出有一定裕量的電感值例如:對(duì)于20%精度的電感,考慮到5%的設(shè)計(jì)裕量。則DC-DC所需的電感為L=1.25*Lmin
  • ? ? ? 確定我們所需的電感為比計(jì)算出的電感L稍大的標(biāo)稱電感

C.電容選型:設(shè)計(jì)考慮參數(shù)為:電容值、容差、耐壓、ESR、使用溫度、尺寸、材質(zhì)、直流偏置效應(yīng)、漏電流;?商務(wù)考慮因素:價(jià)格、供貨

  • ? ? ? ?輸入電容計(jì)算:雖然不及CL 對(duì)輸出穩(wěn)定性的影響大,但CIN 也是電容值越大、ESR 越小則輸出穩(wěn)定性越好,紋波也越小。大到某種程度,降低輸出紋波的效果會(huì)變小,?從防止對(duì)輸入側(cè)的電磁干擾的意義上說,電容值應(yīng)從CL 的一半左右。雖然是一般不常進(jìn)行確認(rèn)的數(shù)據(jù),但對(duì)降低EMI 是很重要的數(shù)據(jù)。CIN 不會(huì)因ESR太小而輸出振蕩,所以盡量使用低ESR 電容。
  • ??? ? 輸出電容計(jì)算:Cin=I load(Max)*D*(1-D)/Fs*(Delta_Vin-Iload(Max))*ESR.CIN;CL 越大則紋波越小,但過分大的話,電容器的形狀也大,成本提高。CL 由所需的紋波大小而定。

D.二極管選型:IF正向電流要大,VF正向壓降要小,反向回復(fù)時(shí)間快;首選肖特基二極管,額定電流必須大于電路峰值電流選取。SBD有關(guān)絕對(duì)最大額定值,根據(jù)與FET同樣的理由,應(yīng)選擇相對(duì)于使用條件的1.5 倍~2 倍左右的產(chǎn)品。SBD 的損失為正向熱損失VF×IF 和反向漏電流IR 引起的熱損失的合計(jì)值。

2.2WEBECN設(shè)計(jì)過程

在WEBENCH的設(shè)計(jì)過程,主要把之前的控制點(diǎn)先完成了。

WEBENCH汽車設(shè)計(jì)工具:點(diǎn)擊查看

基本的設(shè)計(jì)過程

2.2.1線性的電源

這里只有一個(gè)方案,有成本等需求

在優(yōu)化過程中,可以選取上面的工具欄,獲取一些動(dòng)態(tài)特性的結(jié)果,比如啟動(dòng)過程

這個(gè)工具可以做以下的事情:

A) 確定不同工作狀態(tài)下的溫度和工作點(diǎn):

a. 16V狀態(tài)下的溫升

b. 9V

B) 時(shí)序特性

a. 確定上電時(shí)序

b. 輸入特性曲線(9=)16V)

c.?負(fù)載特性曲線(0.3A=)0.03A)

通常我們給充電機(jī)配置主電源為線性電源,在上述方案下優(yōu)化下即可,加入保護(hù)設(shè)計(jì)電路。

2.2.2 Buck電源

如果我們考慮會(huì)繼續(xù)加大,特別是通信方面考慮CAN的時(shí)候,電流會(huì)更大一些到0.5A的時(shí)候,成本考慮2美金。

我們可以在可視化的圖像中看到以下的情況:

以效率和體積的考慮,工具給了一個(gè)優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案,為綠色的

可以根據(jù)這個(gè)方案來進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮

這里基本集成了上述的設(shè)計(jì)考慮過程,得到了以下的外圍電路的參數(shù)。

也可以進(jìn)一步進(jìn)行一些優(yōu)化,這里同時(shí)也給出了成本和管腳大小。

同樣可以觀測整個(gè)啟動(dòng)的時(shí)序

這里比較有趣的還可以做一些初步的熱仿真,如下所示:

這個(gè)工具,可以給我們帶來比較簡單的設(shè)計(jì)和考慮的分析結(jié)果,可以做初步的仿真設(shè)計(jì)。不過似乎這里沒辦法設(shè)計(jì)隔離電源,對(duì)多路輸出的設(shè)置有些困難。