NEST156 May 2025 UCC25661 , UCC25661-Q1
車用電源設(shè)計師產(chǎn)出的成品除了需符合外型尺寸與效率等規(guī)格外，還必須選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu)與控制器，以符合國際標準化組織 ISO 26262 所定義的汽車安全完整性等級標準。過去設(shè)計師會採用簡單的類比脈衝寬度調(diào)變 (PWM) 控制器，並配置於半橋式拓撲結(jié)構(gòu)中。但對於需要進階保護機制或更高效率的系統(tǒng)而言，PWM 控制器可能無法滿足需求。
最新的混合動力或電動車 (EV) 為了最大化續(xù)航力與安全性，需要更高的功率密度、輕負載性能與更佳的可靠性，因此促使設(shè)計師積極探索用於動力系統(tǒng)的創(chuàng)新架構(gòu)，例如輔助模組、備援模組、分散式模組與區(qū)域模組。為了減少排放，摩托車、高爾夫球車、堆高機，甚至割草機的製造商皆開始投入於高電壓電池組、電動化車型與充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。輕型電動車 (LEV) 設(shè)計師需要能提供高功率密度、同時不犧牲成本或可靠性的產(chǎn)品。
與 PWM 控制器型半橋式轉(zhuǎn)換器相比，電感–電感–電容 (LLC) 拓撲結(jié)構(gòu)因其固有的共振與零電壓切換 (ZVS) 特性，能提供更佳的效率與電磁相容性 (EMC)。儘管 LLC 拓撲結(jié)構(gòu)具備諸多優(yōu)勢，包括極低的待機功耗與低可聽噪音，但電動車製造商對於是否採用 LLC 拓撲結(jié)構(gòu)一事卻始終持保留態(tài)度，原因在於其操作輸入電壓範圍受限。車用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須支援廣泛的輸入電壓、輸出電壓，或兩者兼具，才能在冷車啟動、暫態(tài)變化或碰撞相關(guān)事件中維持穩(wěn)定性能。
UCC25661 (Q1) 等 LLC 控制器的技術(shù)創(chuàng)新，正在推動 LLC 拓撲結(jié)構(gòu)於汽車與電動車充電應(yīng)用中的全新使用情境。在電動車領(lǐng)域中，LLC 拓撲結(jié)構(gòu)可應(yīng)用於冗餘電源、輔助電源、區(qū)域模組電源或熄火後的持續(xù)供電電源。對於輕型電動車，LLC 拓撲結(jié)構(gòu)可用於車載 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，或車外的充電器/轉(zhuǎn)接器。在上述各種應(yīng)用中，為了提升車輛續(xù)航力並降低成本，高效率與最小尺寸都是不可或缺的關(guān)鍵，特別是在車輛內(nèi)部配有多個 LLC 轉(zhuǎn)換器時更是如此，如圖 1的區(qū)域模組所示。
圖 1 區(qū)域架構(gòu)在汽車系統(tǒng)中運用 LLC 拓撲結(jié)構(gòu)提升功率密度
在隔離式電源供應(yīng)器中，磁性元件通常決定其體積與重量。體積與切換頻率成反比，因為在固定輸出功率下，每個切換週期所需儲存或輸送的能量較少。
UCC25661-Q1 LLC 控制器具備 750kHz 共振頻率，有助於縮減磁性元件的尺寸與重量，進而降低成本並提升可靠性。在車輛中部署多個 LLC 轉(zhuǎn)換器，更能加倍體現(xiàn)使用小體積、低重量磁性元件的效益。
PWM 控制器雖可支援高頻率運作，但由於採用硬切換，在未使用大型 EMI 濾波器的情況下，要符合如國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 25 所規(guī)範的 EMI 限制將十分困難。由於功率級中具有共振電路，因此 LLC 控制器天生具備軟切換特性。因此，相較於硬切換的半橋式拓撲結(jié)構(gòu)，LLC 拓撲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傳導(dǎo)性 EMI 與切換損耗更少。
圖 2說明了硬切換與軟切換 (ZVS) 之間的差異。
圖 2 半橋式 PWM 控制器與 LLC 控制器的切換事件波形範例透過 IPPC 解鎖全新應(yīng)用場景
UCC25661-Q1 LLC 控制器整合 TI 的輸入功率比例控制 (IPPC) 功能，可支援如電池充電（輕型電動車轉(zhuǎn)接器、充電站或輔助電源）等寬輸出電壓應(yīng)用。IPPC 同樣支援電動車中電池供電 DC/DC 系統(tǒng)的寬輸入電壓應(yīng)用。輕型電動車正在從 12V 至 36V 的低電壓電池組，過渡至 48V 甚至高於 96V 以上的電壓，盡可能延長行駛距離。
得益於支援寬輸出電壓範圍的 LLC 架構(gòu)，工程師得以設(shè)計出在低電池電壓下不會進入突衝模式的 LLC 轉(zhuǎn)換器，進而保護電池壽命。在調(diào)整突衝模式的性能穩(wěn)定性時，IPPC 亦可縮短開發(fā)時間。UCC25661-Q1 中的 IPPC 可大幅降低控制器在供電時所需的切換頻率，突破傳統(tǒng) LLC 控制定律的限制。此機制移除後，可協(xié)助工程師避免在車內(nèi)與車外的電池應(yīng)用中觸發(fā)不必要的過載保護。
在停用功率因數(shù)校正，且不啟動過載功率限制的情況下，IPPC 也能提升供電效率。混合突衝模式不僅可降低可聽噪音，也可改善輕負載與無負載下的效能，對於防止電池耗盡至關(guān)重要。
UCC25661-Q1 配備強大的保護功能，包括預(yù)偏壓啟動、緩啟動與電容區(qū)域規(guī)避機制，打造高度可靠的電源設(shè)計。
透過整合功能簡化並保護您的電源供應(yīng)單位
UCC25661-Q1 的自適應(yīng)緩啟動功能可穩(wěn)定逐步提高供應(yīng)電壓，讓連接至 VDD 針腳的電容器在啟動前充分充電，以保護電源供應(yīng)器免受突波電流的衝擊。
根據(jù)負載條件，採用 LLC 控制器的電源轉(zhuǎn)換器可能在電容區(qū)或共振區(qū)中運作。在電容區(qū)域運作可能對功率級造成嚴重損壞。雖然多數(shù) LLC 控制器可在偵測到電容區(qū)運作時停止運行，但 UCC25661-Q1 具備電容區(qū)域規(guī)避機制，可主動終止閘極驅(qū)動，進而避免損壞。
結(jié)論
電動車仰賴如 LLC 拓撲結(jié)構(gòu)等隔離式電源架構(gòu)的進展，以及 IPPC 等控制方法，以實現(xiàn)符合次世代架構(gòu)需求的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計。以 UCC25661-Q1 LLC 控制器為基礎(chǔ)的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，能在維持性能的同時，以相同甚至更小的體積提供更高效率的功率輸出。
其他資源
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