Cypress公司 中野正博

MCU改善DC/DC變壓器輸出在混合動力/電動汽車上的應用

Cypress公司 中野正博

人們對氣候變化和汽油價格的擔憂，使得混合動力汽車和純電動汽車等環(huán)保汽車市場日益升溫。這些汽車往往通過一臺由高壓鋰電池驅(qū)動的電動機獲取動力。為了實現(xiàn)最高效率，我們通常需要使用一個DC/DC變壓器將這臺動力強勁的直流電動機的驅(qū)動電壓提升至數(shù)百伏。與此同時，混合動力汽車和純電動汽車通常使用與燃油汽車相同的電子控制單元（ECU）來實現(xiàn)車身控制、儀表盤信息顯示等功能。這意味著這些電子設計需要使用12V電源。因此，還需要使用一個DC/DC變壓器將鋰離子電池的數(shù)百伏輸出電壓降至標準的12V直流電壓。

如圖1所示，在一臺環(huán)保汽車中，一個轉換器將鋰離子電池的輸出電壓提升至數(shù)百伏直流電壓，用以驅(qū)動電動機；同時將輸出電壓降至12V直流電壓DC，用以驅(qū)動ECU。

由于ECU負責執(zhí)行各種關鍵性任務，因此，DC/DC變壓器對于確保車輛的安全運行至關重要。此外，該變壓器還必須高效，而且即使在電池電壓發(fā)生波動時，也必須為ECU提供穩(wěn)定的電源。其電路設計必須足夠精準、高效和緊湊，以適合空間受限的汽車系統(tǒng)。最重要的是，它必須可靠，因為ECU的任何一個故障都可能導致車輛失控、損壞甚至人員傷亡。

然而，卓越的DC/DC變壓器離不開卓越的控制器。Spansion半導體的新技術利用MCU的數(shù)字處理能力成功縮減了組件的數(shù)量，它能夠利用軟件平臺輕松靈活地滿足系統(tǒng)要求，而且還能通過車載網(wǎng)絡向駕駛員顯示故障信息，從而簡化了車輛的維護工作。

數(shù)字化的優(yōu)勢

圖 1

為了更好地了解MCU如何影響數(shù)字DC/DC變壓器的運行和功能，讓我們以Spansion MB91550為例。這款MCU能夠同時實現(xiàn)兩個控制環(huán)，一個用于控制輸出電壓，另一個用于控制電流（見圖2）。這個以200 MHz時鐘頻率運行的MCU能夠生成一個精準的PWM波形，而這是保持精準控制的關鍵所在。通過PWM轉化輸出的周期進行相位調(diào)整能夠?qū)ζ溥M行功率因數(shù)校正（PFC）。另外，此款MCU還符合ISO26262定義的功能安全要求。

在斜率補償單元和比較器的協(xié)助下，MB91550單片機可以控制數(shù)字DC/DC變壓器，從而搭建一個高效的系統(tǒng)。

圖 2

讓我們仔細研究一下整個過程。一個12位A/D轉換器對電壓進行數(shù)字化處理，然后，一個配有FPU的32 位CPU設定一個比較器參考值和一個斜率補償值，目的是將電壓降至目標電壓（見圖3）。

這個斜率補償值通過一個10位D/A轉換器被發(fā)送到電流反饋環(huán)的斜率補償單元。經(jīng)過CPU處理后，電流進入一個比較器，后者檢查其與預先設定的參考值的偏離。轉換器根據(jù)匹配結果調(diào)整當前轉換周期的PWM輸出的工作周期。如果電流大于上述參考值，則表示發(fā)生了過流情況，MCU將切換至“off”狀態(tài)，同時修正被控制的PWM輸出。

圖 3

斜率補償電路和專用比較器讓MCU能夠控制DC/DC變壓器的PWM工作周期，而且無需等待下一個工作周期。這是MCU的一大優(yōu)勢：變壓器能夠響應實際電動機負載的快速波動，并檢測目標系統(tǒng)的電流和電壓。PWM輸出電路支持一個發(fā)電機空載計時器和用于波形控制的相移功能（見圖4）。

展望未來

混合動力汽車和電動汽車是未來環(huán)保汽車市場的重要組成部分。本文重點關注了車用MCU，但實際上，市場上還存在各種各樣的直流設備和系統(tǒng)，例如，需要電源管理的太陽能電池板等。我們在此探討的MCU類型可被應用于眾多同類系統(tǒng)，用以提升它們的效率、性能和安全性。

圖 4

微控制器不僅能夠助力打造一個高效的社會，而且還能打造一個安全的社會。為了實現(xiàn)這個愿景，未來的數(shù)字電子器件應能在很多方面從容應對以下趨勢和挑戰(zhàn)：

① 在不遠的將來，所有事物都將聯(lián)網(wǎng)。汽車對于交通而言非常重要，但如果不能很好地抵御網(wǎng)絡攻擊，它們也會成為威脅。MCU等數(shù)字組件需要保護車輛免遭外部網(wǎng)絡攻擊（見圖5）。

②基于模型的開發(fā)（MBD）能夠通過代碼自動生成大幅縮短嵌入式軟件的開發(fā)時間。在模擬環(huán)境中，甚至能夠在獲得實物系統(tǒng)之前測試各類安全隱患。通過分析系統(tǒng)對標準測試中可能不會出現(xiàn)的各種異常事件的響應，模擬環(huán)境能夠幫助我們開發(fā)出更安全的系統(tǒng)。

圖 5

③ 集成能夠降低成本，同時優(yōu)化性能。

2015-06-08）