自从Karl Friedrich Benz于1886年设计并制造了世界上第一辆能实际应用的内燃机发动的汽车，人类开始了汽油汽车的歷史。然而启动汽车引擎需要启动机，因此伴随着电动启动机的成熟发展，蓄电池也跟着普及起来，最终每台家用汽车上都有着一颗看似不起眼却无比重要的蓄电池。电池电压也从一开始的6V，于50年代左右几经波折提升至12V，并沿用至今。


紧接着汽车科技的发展与设备不断的推陈出新，往往同时提高电能的消耗功率，令12V的电池系统渐显疲态；加上车商为了节能减碳，纷纷朝向混合动力发展，将越来越多的传统机械驱动模组改为马达驱动方式。变动的幅度越大，效益越高，却也加剧12V系统效益不彰的问题。


为了提高马达的效能、缩小体积与重量，其中一个方法是提高电压。但高压却有安全疑虑，50V以下是人体可以承受的安全电压，欧洲法规更规定超过60V电压的系统，在导缐和连接处就要採用特殊的绝缘措施，无形中增加成本与重量，所以48V电池系统便是两者之间的平衡点。目前的车子便对耗电量重的驱动模组提供48V电压，传统弱点模组则维持採用12V电压，因而车子内同时存在两种电池电压系统，如图一所示。



图一
图一

为符合市场需求，Microchip提供了1600W Bus Balancer参考设计方案。如图二所示，此设计方案可对双电池系统互相进行充放电，以确保12V系统用电无虞，安全系统得以保持工作状态，并且不需额外的12V充电器。採用是模组化的设计，一个模组400W，参考设计为四个模组并联产生1600W功率。



图二
图二

每个模组採用Synchronous Buck的架构，如图三所示。Q1A与Q1B为主开关，Q2A、Q2B、Q3A、Q3B为双向断路保护开关。



图三
图三

效率曲缐图如图四，Eta曲缐包含四个断路保护开关，Eta_WS曲缐则为单纯双向转换器的效率，最高效率约97%。



图四
图四

基于dsPIC33EP64GS506之参考设计基本规格如下：


‧ Topology: Synchronous Buck


‧ Main Controller: dsPIC33EP64GS506


‧ 48V rail: 25Vdc - 55Vdc


‧ 12V rail: 10.5dc - 18dc


‧ Iout: 0A - 120A (adjustable)


‧ Efficiency: ~97% (@700W)


‧ Switching frequency: 87 kHz per phase (interleaved, input/output switching frequency 350 kHz)


‧ Reverse bias protection on both rails: Yes


‧ Input filter: Yes


‧ Redundancy: Yes (50%)


对Bus Balancer及dsPIC数位电源开发工具有兴趣的读者，请参考官方网站https://www.microchip.com/design-centers/automotive-solutions/automotive-applications/powertrain-ev-hev/dc-dc-converter，亦欢迎与我们经验丰富的设计团队联繫。


本文作者为：Microchip工程师 李政道