【解決方案】利用ADI雙向升降壓控制器實現汽車冗餘電池系統| 安馳科技股份有限公司 Macnica Anstek Inc.

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作者：Bruce Haug

背景

種種跡象表明，自動駕駛汽車革命即將全面展開。汽車公司正在與谷歌和優步等科技巨頭以及著名的初創企業合作，開發下一代自動駕駛汽車，這些汽車將改變我們的道路和通道，並為未來的智慧城市奠定框架。他們正在利用機器學習、物聯網（IoT）和雲端等技術進步來加速發展。

更重要的是，自動駕駛汽車將推動Uber和Lyft等流行，乘車共用服務已經啟動顛覆了行業思維。這正在共同創造一個智慧和無人駕駛的未來世界。

最終，所有自動駕駛汽車都將採用感測器、攝像頭、雷達、高性能GPS、光探測和測距（lidar）、人工智慧（AI）和機器學習的組合來實現一定程度的自主性。與安全且可擴展的物聯網、數據管理和雲端解決方案的連接也很重要，因為它們為收集、管理和分析感測器數據提供了彈性和高性能的基礎。

聯網汽車的興起具有深遠的社會影響，從環境效益到提高安全性。道路上的汽車減少也意味著溫室氣體排放的減少，從而降低能耗和改善空氣品質。

對於自動駕駛汽車和智慧道路系統，端點遙測、智慧軟體和雲都是必不可少的推動因素。自動駕駛汽車中的車載攝像頭和感測器收集大量數據，這些數據必須適時處理，以保持車輛在正確的車道上並在前往目的地時安全運行。

基於雲的網路和連接是組合中的另一個重要部分。自動駕駛汽車將配備支持機器對機器通訊的車載系統，使他們能夠向道路上的其他車輛學習，以便根據天氣變化和不斷變化的道路狀況（如繞道和路徑碎片）進行調整。先進的演算法和深度學習系統是確保自動駕駛汽車能夠快速、自動地適應不斷變化的場景的核心。

除了雲計算基礎設施的可擴展性和智慧數據管理等特定元件之外，還需要關鍵任務系統（包括電源）的冗餘。目前還提供冗餘電池解決方案，例如LTC3871，它與兩個具有不同額定電壓的電池配合使用，例如48 V鋰離子電池和12 V鉛酸電池。但是，這些現有解決方案中的大多數不能為相同的電池電壓提供冗餘，例如兩個12 V，24 V或48 V電池。直到現在，就是這樣。

顯然，需要一個雙向降壓-升壓DC-DC轉換器，該轉換器可以在兩個12 V電池之間切換。這種DC-DC轉換器可用於為任一電池充電，並允許兩個電池向同一負載提供電流。此外，如果其中一個電池發生故障，則需要檢測該故障並將其與另一個電池隔離，以便另一個電池繼續為負載供電而不會造成任何中斷。ADI公司最近發佈的LT8708 雙向DC-DC控制器解決了利用LT8708控制器連接兩個具有相同電壓的電池的關鍵功能。

單一雙向IC解決方案

LT8708 是一款效率為98%的雙向降壓-升壓開關穩壓控制器，可在兩個具有相同電壓的電池之間工作，非常適合自動駕駛汽車中的冗餘。它可以在高於、低於或等於輸出電壓的輸入電壓下工作，使其非常適合電動和混合動力汽車中常見的兩個 12 V、24 V 或 48 V 電池。LT8708 在兩節電池之間工作，並在其中一節電池發生故障時防止系統關斷。該元件還可用於 48 V/12 V 和 48 V/24 V 雙電池系統。

LT8708採用單電感器，在2.8 V至80 V的輸入電壓範圍內工作，同時產生1.3 V至80 V的輸出電壓，根據外部元件的選擇和相數提供高達幾千瓦的功率。它簡化了電池/電容器備份系統中的雙向電源轉換，這些系統需要正向或反向調節V OUT、V IN和/或I OUT，IIN。該元件的六種獨立調節形式使其可用於多種應用。

LT8708-1 與 LT8708 並聯使用以增加功率和相位。LT8708-1 始終作為主 LT8708 的從機運行，可以異相計時，並且能夠提供與主站一樣多的功率。一個主站最多可連接12個從站，按比例增加系統的功率和電流能力。

可以監控和限制轉換器輸入側和輸出側的正向和反向電流。所有四個電流限值（正向輸入、反向輸入、正向輸出和反向輸出）都可以使用四個電阻獨立設置。結合方向（DIR）引腳，該晶片可配置為處理從 V 輸入到 V 輸出或從 V 輸出到 V 輸入的電源，非常適合汽車、太陽能、電信和電池供電系統。

LT8708 採用 5 mm × 8 mm 40 引腳 QFN 封裝。提供三種溫度等級，擴展級和工業級的工作溫度範圍為 –40°C 至 +125°C，汽車級高溫範圍為 –40°C 至 +150°C。圖1所示為簡化的LT8708框圖。

安馳科技 LT8708 ADI

圖1.LT8708簡化的雙向雙12 V電池應用原理圖。

完整解決方案

圖2中的框圖顯示了在汽車應用中完成雙電池冗餘電路所需的其他器件。如圖所示，LT8708與兩個LT8708-1器件配合使用，形成一個三相解決方案設計，可在任一方向上提供高達60 A的電流。可以添加額外的 LT8708-1 元件，用於高達 12 相或超過 12 相的更高功率應用。AD8417是一款雙向電流檢測放大器，可檢測流入和流出電池的電流。當此電流超過預設值時，LTC7001 高端 NMOS 靜態開關驅動器將打開背靠背 MOSFET，以將任一電池與電路隔離開來。

安馳科技雙電池冗餘框圖 ADI

圖2.完整解決方案的雙電池冗餘框圖。

LTC6810-2 監視和控制鋰離子電池。它精確測量電池單元，總測量誤差小於1.8 mV。將多個 LTC6810-2 元件並聯到主機處理器將創建額外的冗餘，以監視電路中的其它電壓。LTC6810-2 具有一個用於高速、射頻免疫、長距離通訊的 isoSPI TM 介面，並且它支援雙向操作。該元件還包括對每個電池進行PWM佔空比控制的被動平衡，以及執行冗餘電池測量的能力。

控件概述

LT8708 提供了一個輸出電壓，該輸出電壓可高於、低於或等於輸入電壓。它還在輸入和輸出端提供雙向電流監控和調節功能。ADI專有控制架構在降壓、升壓或降壓-升壓工作區域採用電感電流檢測電阻。電感電流由 V C 引腳上的電壓控制，VC 引腳是六個內部誤差放大器 EA1 至 EA6 的組合輸出。這些放大器可用於限制或調節其各自的電壓或電流，如表1所示。

表 1.誤差放大器（EA1 至 EA6）

Amplifier Name	Pin Name	Used to Limit or Regulate
EA1	IMON_INN	Negative IIN
EA2	IMON_ON	Negative IOUT
EA3	FBIN	VIN Voltage
EA4	FBOUT	VOUT Voltage
EA5	IMON_INP	Positive IIN
EA6	IMON_OP	Positive IOUT

VC 電壓的最小-最大範圍通常約為 1.2 V。最大V C電壓控制最正電感電流，因此控制從V IN到V OUT的最大功率流。最小V C電壓控制最大的負電感電流，因此控制從V OUT到VIN的最大功率流。

在V OUT 調節的簡單示例中，FB OUT 引腳接收V OUT電壓反饋訊號，該訊號與使用EA4的內部基準電壓進行比較。低 V OUT 電壓使 V C 升高，因此，更多的電流流入 VOUT。相反，較高的VOUT會降低V C，從而將電流降低到V OUT，甚至從V OUT中汲取電流和功率。

如前所述，LT8708 還在輸入和輸出端提供雙向電流調節功能。VOUT 電流可以在正向和反向（分別為 EA6 和 EA2）上調節或限制。VIN電流也可以在正向和反向（分別為EA5和EA1）上調節或限制。

在常見應用中，VOUT可能使用EA4進行調節，而其餘誤差放大器則監視輸入或輸出電流過大或輸入欠壓情況。在其他應用中，例如電池備份系統，連接到V OUT的電池可能以恆定電流（EA6）充電至最大電壓（EA4），有時也可以反轉以使用其他誤差放大器將電源回V IN，以調節V IN並限制最大電流。有關此主題的更多資訊，請參見 LT8708 數據手冊►https://anstekadi.com/Download?Keyword=LT8708-1

結論

LT8708-1 為相同電壓的雙電池DC-DC汽車系統帶來了新的性能、控制和簡化水準。無論是將其用於兩個電源之間的能量傳輸以實現冗餘，還是用於任務關鍵型應用中的備用電源，LT8708 都允許使用者使用具有相同電壓的兩個電池或超級電容器工作。這種能力使汽車系統工程師能夠為汽車電子未來鋪路，使汽車更安全、更高效。

作者

Bruce Haug

Bruce Haug於1980年獲得聖約瑟州立大學電氣工程學士學位。他於2006年4月加入凌力爾特（現為ADI的一部分），擔任產品營銷工程師。Bruce過去的經驗包括在Cherokee International，Digital Power和Ford Aerospace工作。他是一個狂熱的體育參與者。