48V-12V DC-DC 转换器白皮书

自从1898年汽车首次采用电气照明以来，市场对于汽车电气特性和功能的需求日益增长。随着12V系统的局限性逐渐凸显，汽车行业正逐步转向48V系统。这一转变不仅是为了提供更大的电力容量，缩小电线和连接器的尺寸，也是为了支持更多先进的电气功能，并有效降低能耗。

        在当前的轻度混合动力汽车（MHEV）中，通常会配备两块电池：一块48V电池和一块传统12V电池。其中，48V-12V DC-DC转换器起到了关键作用，它将这两块电池连接起来，确保电力系统的高效运行。48V电池主要用于支持车辆的高性能需求和节能特性，而12V电池则继续负责为诸如信息娱乐系统、发动机控制系统和安全模块等较低功率的设备供电。这种设计既保证了系统的兼容性，又促进了新技术的应用和发展。

        解决方案概览

        功率级

        在此应用中，普遍采用的功率级拓扑结构是非隔离同步降压转换器。同步开关也便于双向电流流动， 从而实现升压模式运行。从48V侧来看，该配置可用作同步降压转换器；而从12V侧来看，其功能则转变为同步升压转换器。

        在12V-48V车载系统中，电池连接到DC-DC转换器输出端，这有助于降低输出电压纹波。为了进一步减小升压模式下的输出电压纹波，在48V侧设置了一个L-C滤波器。另一种降低输出电压纹波的方法是将功率分散到更多交错相位上。需要注意的是，对于降压模式和升压模式，L-C滤波器都可能影响转换器的稳定性。此外，还需要考虑到电感器的饱和电流必须超过平均直流电流，而电容器在设计中也需满足相应的纹波电流要求。

        双向功能对输入和输出电容器的选择有着重要影响。为了实现双向工作， 功率级内部的电容器会动态地转换功能。选择输出电容容量需要在减少输出电压纹波、过冲和系统成本之间进行权衡。过多的输出电容量也会反过来影响瞬态响应时间。

        多相转换器

        考虑采用多达 6 个交错（并联） 功率级（相位） 的多相 DC-DC 双向转换器。多相转换器是大功率应用的合理选择， 与单相转换器相比， 多相转换器具有输出纹波更低、 可使用更小的电容器、 瞬态响应更快等优点。其他优势还包括电感器尺寸更小， PCB 上的功率耗散得到改善。

        功率级内部的MOSFET必须能承受高电流， 并对整个系统的效率产生显著影响。导通损耗和开关损耗共同构成了晶体管上的功率耗散。需要考虑的主要参数包括导通电阻R_DS(ON)、 栅极电荷以及寄生元件等， 它们能在导通损耗和开关损耗之间取得
平衡。

        安森美用于低压和中压 MOSFET 的新型 T10 技术是理想的选择， 该技术采用屏蔽栅极沟道设计， 具有超低 QG 和R_DS(ON) < 1m 的特性。

        T10技术通过其行业领先的软恢复体二极管（Qrr, Trr） 减少了振铃、 过冲和噪声， 实现了性能与恢复特性之间的完美平衡。

        48V 系统中的元器件冗余

48V 电力网络的元件冗余对于确保电力系统的可靠性和弹性至关重要。在单个元件发生故障时， 冗余元件可作为备份，防止整个系统中断。这对于控制制动、 转向和安全气囊等关键安全系统尤为重要。车载环境带来了各种挑战， 包括振动、 温度波动、 潜在的元件故障和短路风险。

        冗余有助于提高车辆电气结构的整体稳健性， 确保在部件故障、 意外损坏的情况下实现连续和不间断的功能， 并降低与电气短路相关的风险。

        转向 48V 架构能够加速采用 ADAS 和更高级别的自动驾驶功能， 例如线控转向和线控制动， 在这些功能中， 对冗余、容错和可靠性的要求至关重要。与 12V 系统相比， 48V 系统对这些高峰值负载设备的冗余驱动变得更轻便、 更具成本效益。

        带有冗余开关的48V 冗余电力总线可防止故障从一条电力总线传播到另一条总线。这可确保在系统的某个部分发生故障时， 关键功能可无缝转移到未受影响的通路上。

        用于 48V 和 MHEV 应用的集成式汽车电源模块（APM）

安森美提供了多种封装形式的汽车MOSFET模块系列， 专为 48V 系统、 MHEV 和低压牵引系统中的电源应用而设计。

        APM21 模块的发布进一步丰富了安森美适用于汽车应用的高性能、 高可靠性压铸模（transfer-molded） 模块产品线。

        APM系列提升了高度集成的紧凑型设计， 具有低杂散电感和更好的抗电磁干扰（EMI） 表现。高效的电流处理消除了PCB 中大电流通路的必要性。

        用于 48V 和 MHEV 应用的集成式汽车电源模块（APM）

        APM12 是一款成熟可靠的 80V 单相逆变器模块（NXV08A170DB2） ， 具有电流检测、 温度检测及缓冲电路功能。通过将n个APM12模块堆叠使用， 可以转换成n相电机逆变器。

        APM17 - 用作电池和负载开关的背对背 MOSFET 模块

        NXV08B800DT1 是汽车用双通道背对背 MOSFET 功率模块，80V， 0.58mΩ， 采用共源极连接。可在 48V MHEV 应用中作为电池或负载开关出色地工作。

        DC-DC 转换器内的断路开关

        DC-DC 转换器的每一侧都应具备通过断路开关（断路器） 与相应的电源轨断开连接的能力。最佳解决方案是采用双背靠背 N-MOSFET 配置， 尽管 48V 侧只需要单个 MOSFET。

        12V 电池侧

        用户通常可以直接接触到车辆中的 12V 电池， 这就对系统提出了严格的要求， 需要在用户误接电池正负极时提供反向极性保护。因此， 在断路开关中采用背对背 MOSFET 配置， 是为了在电池极性接反的情况下保护转换器不受损害。当系统关闭时， DC-DC 转换器必须从两个电源轨上断开连接， 以防止在非工作时段产生电流消耗。

        MOSFET：低压和中压
安森美提供了广泛适用于 DC-DC 转换器、 电机控制及其它 48V 汽车应用的低压（LV） 和中压（MV） MOSFET 产品。

        T10 屏蔽栅极沟槽技术

        新型 T10 屏蔽栅极沟槽技术主要针对 DC-DC 转换应用（T10S 型号） 及电机控制、 负载开关（T10M 型号） 领域。该技术旨在优化效率， 降低输出电容及关键性能指标， 同时实现更低的导通电阻 R_DS(ON)和栅极电荷 QG。其中， 出色的 40V沟 槽 技 术 产 品 NVMFWS0D4N04XM ， R_DS(ON)可 低 至 0.42mΩ ， 采 用 小 巧 的 5x6 封 装 。而 对 于 80V 的 选 项NVBLS0D8N08X， R_DS(ON)则可低至 0.79mΩ 。

        T10 MOSFET 技术：中压 80V 和 低压 40V

        新型 T10(S) 屏蔽栅极沟槽设计适用于 DC-DC 转换（开关应用），旨在优化效率、低输出电容和 FOM 系数。与传统的 T8 沟槽栅极技术相比， T10 实现了：

• 更低的 R_DS(ON)和栅极电荷 QG， R_DS(ON)< 1mΩ， QG <10 nC。

• 更低的 Rsp（R_DS(ON)vs 面积）

• 改进了 FOM（R_dsx Q_oss/QG/Q_gd），提高了性能和整体效率。

• 业界领先的软恢复体二极管（Qrr、 Trr），减少了振铃、过冲和噪声。