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升降压控制技术迎来重大突破,不要小瞧日企对科技的执念

时间:2018-12-05 作者:邵乐峰 阅读:
“日本资源缺乏,能成为经济大国,全靠一代代工匠们的技术和心血。不要小看了这颗树脂螺丝钉,它虽然轻,但却坚硬,正是无数颗这样的螺丝钉才支撑起了日本经济。” 这是几年前热播的日本电视连续剧《半泽直树》中的一段经典台词……

“日本资源缺乏,能成为经济大国,全靠一代代工匠们的技术和心血。不要小看了这颗树脂螺丝钉,它虽然轻,但却坚硬,正是无数颗这样的螺丝钉才支撑起了日本经济。”

这是几年前热播的日本电视连续剧《半泽直树》中的一段经典台词。导演借半泽直树父亲之口,道出了日本经济蓬勃发展的根本原因—“工匠精神”。而日前在罗姆(ROHM)半导体的发布会上,我们也感受到了这种精神。

近年来,在对环保性能要求越来越高的汽车领域,配备停车时停止引擎和电机的怠速启停系统的车辆日益增加。但是在怠速启停时,电池会存在由电压瞬变所引起的电压波动现象。如果采用传统降压型DC/DC转换器给车载电子控制单元(ECU)进行供电,由于此时电压已经降低到车载ECU的正常工作电压,会导致包括仪表盘在内的ECU停止工作,从而给车辆行驶带来巨大的安全风险。

要想使ECU稳定工作,需要采用升降压转换器,其优点是不管电池电压高于还是低于ECU所需要的供电电压,升降压DC/DC转换器都可以输出一个比较稳定的供电电压,来保证ECU可以正常工作。然而,传统的升降压DC/DC转换器控制复杂且响应性能差,输出需要大容量电容器,这些都是亟待解决的问题。

为此,ROHM面向配备怠速启停系统的车辆中的仪表盘面板和网关等需要升降压电源的ECU,开发出升降压控制技术“Quick Buck Booster”,旨在实现业界最优异的低消耗电流和稳定性能。

“相比降压芯片,升降压技术所面对的市场规模其实很小。但既然整车厂有这样的需求,提供最先进的科技给他们是罗姆的责任所在。”罗姆半导体(北京)有限公司设计中心所长水原德健说。

凝聚ROHM车载电源技术精髓

根据罗姆半导体(北京)有限公司设计中心工程师吴波的介绍,利用“Quick Buck Booster”技术,无需损害降压型DC/DC转换器在性能方面优于升降压电源的特性优势,即可轻松切换为升降压型DC/DC转换器。在升降压电源中,可实现与降压电源同等的特性、外围部件小型化和削减开发周期,有助于配备怠速启停功能车辆的ECU等在短时间内电压发生显著下降的应用的稳定工作和系统优化。

如下图所示,左边降压电路和右边升压电路的电路拓扑结构是一样的,两者结合起来就是一个升降压电路。两者的主要区别在于控制方式不同,传统降压回路的控制方式是对降压功能和升压部分进行分别控制,也就是降压部分和升压部分需要分别进行占空比控制,相当于两个大脑进行协商,难免会造成整个系统的控制结构复杂,环路响应特性比较差。

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ROHM针对这个复杂的控制结构进行了改善,即将升压侧的占空比设定为一个固定的输出。也就是说,无论回路的输出输入怎样变化,升降侧的占空比都是固定的。由于具备相同的占空比,那么环路的整体控制只需要依靠降压侧IC通过采集输出电流的变化,或是输入电压的波动就可实现。相当于使用一个大脑来进行控制,从而降低了系统设计的复杂度,大幅提升了整体系统的响应性能。

该芯片组由具备升压功能的降压DC/DC转换器“BD8P250MUF-C”和升压专用IC“BD90302NUF-C”组成。核心器件“BD8P250MUF-C”中采用了新概念升降压控制技术“Quick Buck Booster”,仅需在后端追加“BD90302NUF-C”,即可在不损害降压电源在性能方面的特性优势的情况下成功构建升降压电源。

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吴波表示,传统的升降压转换器为了输出侧电压的稳定,一般要采用100μf以上的稳压电容才可以作为升降压电源。而BD8P250和BD90302升降压芯片组则可实现无负载时消耗电流8µA,并以44µF输出电容容量实现输出电压波动仅±100mV的稳定工作。这意味着,该产品的消耗电流比普通产品低70%,输出电容容量减少50%,非常有助于配备怠速启停功能的车辆在短时间内输入电压发生显著下降的应用中实现稳定工作以及进一步节能。 20181205-ROHM-2.jpg

另外,利用“Quick Buck Booster”的效果,还实现了以往无法实现的升降压电源和降压电源的电源PCB板、外围部件、噪声对策的通用设计,这也属于业内首创。因此,从降压电源变身为升降压电源仅需增加1枚升压专用IC即可轻松实现,与升降压电源和降压电源分别设计的情况相比,开发周期可缩减50%。

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“对于无需应对由电压瞬变所引起电压波动的车辆,只采用降压型DC/DC控制器就可以满足ECU的供电要求。我们如果针对不同的车型开发不同的电源供电方案,会造成两套方案同时开发,费时费力。BD8P250和BD90302这两个产品的组合可以在实现PCB板不进行重新画板的前提下,非常轻松的进行降压功能和升降压功能的切换。”吴波说。

随着噪声标准越来越严格,低电磁干扰(EMI)的需求也日益高涨。“BD8P250MUF-C”利用扩频功能实现了低EMI,完全满足汽车领域噪声国际标准“CISPR25”,并具有余量。ROHM独有的超高速脉冲控制技术“Nano Pulse Control”也可以始终在不干扰AM广播频段(1.84MHz Max.)的2.2MHz频率下工作,对于最大36V的高电压输入,还实现了驱动ECU的5V稳定输出。而且,同时实现车载ECU电源所需的“低电磁干扰性能”和“高电压输入、低电压输出,不干扰AM广播频段”,也有助于对噪声性能要求高的车载系统稳定工作。

 

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