?在新能源汽車里面一般有以下的單元。

  1. 充電機：充電機一般有三塊電路，邏輯控制電路、交流輸入級和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，其整體架構可以通過單路的SBC來實現(xiàn)。
  2. DC-DC：也是前后兩級，高壓級和低壓級。高壓級的控制，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、驅動電路和功率部分所組成的，電源設計的難點主要是在驅動電路的多路電源供給。

本文主要針對車載充電機部分進行展開。

第一部分車載充電機

比如我們拿出一個典型的新能源汽車充電機的整體規(guī)格來看：

圖1 典型的新能源汽車車載充電機

在WEBENCH里面的實測結果如下：

圖2 WEBENCH的主體結果

那這個工具如何能幫到我們的工程師呢？這里我們就重點來對整個設計進行分解，一般的車載充電機可以分為：

  1. LLC
  2. 全橋
  3. 正激

其主體部分是高壓對高壓，對WEBENCH的要求比較高。

圖3典型充電機主拓撲

而我們整體勾勒出整個充電機的系統(tǒng)架構可以看出：

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

圖4 典型的新能源汽車車載充電機

第二部分 輔助電源設計

2.1 先來談汽車電子里面主控電源的供給電路：

電源設計是需要單獨進行考慮的，主要考慮的問題如下：

  • 模塊電源分配：確認其他電路模塊需要的電壓和電流
  • 模塊電源保護：涉及三方面內容，反接保護電路、瞬態(tài)抑制電路和靜電防護。
  • 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容

低功率LDO設計：為邏輯電源、測量電路和傳感器設計穩(wěn)壓電源

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

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖5 汽車電子主控電源設計概覽

我們往常的設計流程為：

  1. 草案設計，使用Matchad或者Excel將所有的參數(shù)進行羅列和計算，將所有的器件設計參數(shù)導入至輸入級
  2. 仿真和最壞情況分析用Mathcad進行初步計算，然后使用Saber做細節(jié)仿真
  3. 實測常溫下和各種輸入狀態(tài)下的情況
  4. 環(huán)境實驗、EMC實驗摸底
  5. 可靠性試驗定性測試

在電源設計中，首要的是確認電源的設計指標，器件選型：對于器件選型還需要可靠性知識和按照器件的降額標準，關鍵元器件IC 、L、C、D，R選擇、評估與計算；

A.電源IC選型：最主要的三個參數(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：導致DC-DC效率降低，相應的電感成本也會增加。L越大，儲能能力越強，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變大，DCR增加。
  • ? ? ? 根據(jù)電感的精度，計算出有一定裕量的電感值例如：對于20%精度的電感，考慮到5%的設計裕量。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算出的電感L稍大的標稱電感

C.電容選型：設計考慮參數(shù)為：電容值、容差、耐壓、ESR、使用溫度、尺寸、材質、直流偏置效應、漏電流；?商務考慮因素：價格、供貨

  • ? ? ? ?輸入電容計算：雖然不及CL 對輸出穩(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變小，?從防止對輸入側的電磁干擾的意義上說，電容值應從CL 的一半左右。雖然是一般不常進行確認的數(shù)據(jù)，但對降低EMI 是很重要的數(shù)據(jù)。CIN 不會因ESR太小而輸出振蕩，所以盡量使用低ESR 電容。
  • ??? ? 輸出電容計算：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，反向回復時間快；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有關絕對最大額定值，根據(jù)與FET同樣的理由，應選擇相對于使用條件的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值。

2.2WEBECN設計過程

在WEBENCH的設計過程，主要把之前的控制點先完成了。

WEBENCH汽車設計工具：點擊查看

基本的設計過程

2.2.1線性的電源

這里只有一個方案，有成本等需求

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

這個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：

a. 16V狀態(tài)下的溫升

b. 9V

B） 時序特性

a. 確定上電時序

b. 輸入特性曲線（9=）16V）

c.?負載特性曲線（0.3A=）0.03A）

通常我們給充電機配置主電源為線性電源，在上述方案下優(yōu)化下即可，加入保護設計電路。

2.2.2 Buck電源

如果我們考慮會繼續(xù)加大，特別是通信方面考慮CAN的時候，電流會更大一些到0.5A的時候，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，工具給了一個優(yōu)選的設計方案，為綠色的

可以根據(jù)這個方案來進行設計考慮

這里基本集成了上述的設計考慮過程，得到了以下的外圍電路的參數(shù)。

也可以進一步進行一些優(yōu)化，這里同時也給出了成本和管腳大小。

同樣可以觀測整個啟動的時序

這里比較有趣的還可以做一些初步的熱仿真，如下所示：

這個工具，可以給我們帶來比較簡單的設計和考慮的分析結果，可以做初步的仿真設計。不過似乎這里沒辦法設計隔離電源，對多路輸出的設置有些困難。