ZHCAEA8 August 2024
引言
不斷壯大的電動汽車 (EV) 市場為半導(dǎo)體技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用前景，這些技術(shù)不僅可以提升車輛性能，還能確保消費者的安全。隨著汽車行業(yè)采用創(chuàng)新的電子解決方案，例如車載充電器 (OBC) 和直流快速充電，電動汽車的充電能力得到了優(yōu)化提升。在模擬信號鏈技術(shù)領(lǐng)域，汽車充電系統(tǒng)的性能通過電壓調(diào)節(jié)、電流檢測以及安全控制等多種方法進(jìn)行評估。盡管這些系統(tǒng)中的架構(gòu)包含多個元件，但本應(yīng)用簡報將介紹一個尤為重要的 IC：運算放大器。
直流快速充電
直流快速充電表示通過為車輛功率級提供高壓交流電源（高達(dá) 800V）來向電動汽車輸送峰值電力。功率級會首先將該交流電轉(zhuǎn)換為 800V 的直流電。這種高壓直流電用于為車輛的電池充電。然后，使用直流/直流轉(zhuǎn)換器將電壓降低到約 400V，從而繞過車載充電器為電動汽車的電池充電。
為了確保系統(tǒng)的效率，功率級的輸入和輸出都會受到監(jiān)測。在直流快速充電應(yīng)用中，運算放大器用于監(jiān)測交流/直流和直流/直流功率級內(nèi)的電壓/電流，以調(diào)節(jié)向車輛電池提供的電壓。如果檢測到這兩個電壓之間存在不一致，系統(tǒng)將通過電源數(shù)字處理單元進(jìn)行校正。使用運算放大器監(jiān)測此類系統(tǒng)有兩種關(guān)鍵方法。
一種方法是可以實現(xiàn)電阻分壓器來降低高側(cè)電壓軌的電壓。在這種情況下，放大器（本例中為 OPA4991-Q1）會讀取相對于其輸入的適當(dāng)電壓值，然后件其傳輸給電源數(shù)字處理單元。雖然通過該方法監(jiān)測電壓軌具有成本效益，但由于電阻分壓器的存在，這種方法通常會消耗較高的功率。
圖 1 使用 OPA4991-Q1 進(jìn)行分壓另一種方法是可以使用隔離式放大器來直接監(jiān)測高壓電池軌，例如使用 TI 的 AMC1301-Q1 精密隔離式放大器。在這里，隔離式放大器會將相對于輸入的較高電壓降到 3.3V 的差分輸出。然后，TLV9001-Q1 等低壓放大器接收該差分信號并生成單端信號，以監(jiān)測電壓。在這種情況下，放大器在模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 之前充當(dāng)信號調(diào)節(jié)器。將差分輸出（隔離式）放大器連接到單端輸入 ADC 提供了有關(guān)將差分輸出放大器連接到單端輸入 ADC 的更多信息。
圖 2 使用 AMC1301-Q1 和 TLV9001-Q1 進(jìn)行差分至單端轉(zhuǎn)換車載充電系統(tǒng)
電動汽車中的車載充電系統(tǒng) (OBC) 是外部充電電源與車內(nèi)驅(qū)動動力總成的電池組之間的中間系統(tǒng)。OBC 提供了多種優(yōu)勢，包括能夠通過集成轉(zhuǎn)換器使用交流電源，并通過保護(hù)電池壽命提供更大的便利。
OBC 可以有效地將交流電源的電壓和電流轉(zhuǎn)換為直流電源，從而為電池充電。由于 OBC 系統(tǒng)中交流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出范圍為 250VDC 至 900VDC，因此可以使用非隔離式運算放大器來直接檢測系統(tǒng)的電流。
在 OBC 中有三種不同的電流檢測方法：直列式、逆變器橋臂電流檢測和直流鏈路單一分流器，每種方法都有其優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，如表 1 所示。
| 電流檢測類型 | 優(yōu)勢 | 挑戰(zhàn) | 精度 |
|---|---|---|---|
| 直列式分流器 |
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高 |
| 逆變器橋臂電流檢測 |
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中 |
| 直流母線單一分流器 |
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低 |
直列式分流器電流檢測功能讓您可以直接監(jiān)測每個橋臂的相位。由于共模電壓等于直流母線電壓（通常大于 100V），因此需要使用具有高共模輸入電壓范圍的放大器；因此，通常優(yōu)先選擇隔離式放大器。如直流快速充電應(yīng)用中所述，當(dāng)與單端輸入 ADC 連接時，差分到單端轉(zhuǎn)換通常需要一個運算放大器（如 TLV9001-Q1），以保持其完整的動態(tài)范圍并抵消任何引入的誤差。
圖 3 使用 TLV906x-Q1 進(jìn)行低側(cè)電流檢測監(jiān)測每個逆變器橋臂采用低側(cè)電流檢測拓?fù)?，由于每個橋臂的共模電壓接近于零，因此無需隔離式放大器即可實現(xiàn)該拓?fù)洹崿F(xiàn)低側(cè)電流檢測有三種方法：單分流器、雙分流器或三分流器拓?fù)洹畏至髌鳒y量技術(shù)對帶寬要求較高，而三分流器解決方案則需要速度較低的通用放大器，比如 TLV9061-Q1，因為您可以單獨監(jiān)測每個橋臂。在 OBC 系統(tǒng)中，為了精確地進(jìn)行電流檢測，關(guān)鍵要求是確保穩(wěn)定時間盡可能短，因此該應(yīng)用推薦使用 10MHz 單位增益帶寬放大器（1μs 穩(wěn)定時間）TLV9061-Q1，以便能夠快速響應(yīng)電流變化。
OBC 還能夠雙向運行，這意味著電力可以在車輛與外部設(shè)備之間進(jìn)行雙向傳輸。雙向充電允許車載充電器將儲存的直流電轉(zhuǎn)換為可供使用的交流電，然后輸送到電網(wǎng)、其他車輛或其他電子設(shè)備。此外，單相充電器的載流能力較低（與三相 OBC 相反），這一規(guī)格會影響充電速度。這一關(guān)于低側(cè)雙向電流檢測的指南為如何使用低壓放大器構(gòu)建電路提供了參考。TI 的 TLV906x-Q1 系列放大器可通過兩種方式實現(xiàn)低側(cè)雙向電流檢測。一種方法是采用雙通道、空間優(yōu)化的解決方案，其中一個通道用于電壓讀取，另一個通道專用作基準(zhǔn)緩沖器。另一種方法是使用具有兩個單通道放大器的成本優(yōu)化設(shè)計，其中 TLV9001-Q1 可用作基準(zhǔn)緩沖器，與速度更快的 TLV9061-Q1 配合使用。
電動汽車通信控制器
圖 4 放大器在不同充電模式中的應(yīng)用實現(xiàn)所有這些充電階段的前提是首先確保服務(wù)設(shè)備已正確連接到車輛?，F(xiàn)代電動汽車使用電動汽車通信控制器 (EVCC)。EVCC 充當(dāng)外部充電設(shè)備與車輛內(nèi)部元件（比如車載充電器和直流/直流轉(zhuǎn)換器）之間的樞紐，通過監(jiān)測各元件的狀態(tài)，確保充電操作的正常進(jìn)行。EVCC 提供了與車輛充電狀態(tài)相關(guān)的多項關(guān)鍵功能。例如，控制器會將控制引導(dǎo)（數(shù)字通信）信號轉(zhuǎn)換為連接狀態(tài)，并使用控制器局域網(wǎng) (CAN)、電力線通信 (PLC) 和 ISO15118（智能充電）來確定連接狀態(tài)和運行條件。這些狀態(tài)包括：確定充電器是否在給定時間連接到車輛，當(dāng)前狀態(tài)下是否允許充電，以及檢測短路等錯誤。無論采用哪種充電級別和充電模式，EVCC 始終與外部設(shè)備保持持續(xù)通信。
圖 5 使用 OPA991-Q1 進(jìn)行 PWM 到直流轉(zhuǎn)換具有軌到軌輸入和輸出架構(gòu)的 40V 運算放大器 OPA991-Q1 可以在 EVCC 中用作信號調(diào)節(jié)器。如圖 5 所示，在非反相拓?fù)渲?，運算放大器通常用作低通濾波器，以將 1kHz 脈寬調(diào)制 (PWM) 信號轉(zhuǎn)換為直流電壓。放大器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換來自電動汽車供電設(shè)備 (EVSE)（例如充電站及其相關(guān)元件）的控制引導(dǎo)信號，并將此信息發(fā)送到微控制器單元進(jìn)行處理。放大器的輸出電壓取決于 PWM 的占空比（-12V 至 +12V），并饋送到 MCU 以表示六個不同的連接階段：無連接、已連接、準(zhǔn)備充電、通風(fēng)連接、接地短路和錯誤檢測。
結(jié)語
隨著車輛中電子元件數(shù)量的增加，汽車系統(tǒng)中實現(xiàn)監(jiān)控功能的機(jī)會也將增多。運算放大器能夠繼續(xù)提供所需的檢測能力，以維持量產(chǎn)電動汽車中存在的高壓系統(tǒng)，如直流快速充電和車載充電器等應(yīng)用中所述。
隨著市場對更快充電速度和更高功率密度的需求日益增長，汽車行業(yè)將需要集成大量的 IC；運算放大器在設(shè)計充電方案時發(fā)揮著關(guān)鍵作用，通過確保各項關(guān)鍵規(guī)格的穩(wěn)健性能，有助于提高這些系統(tǒng)的效率。隨著充電元件的不斷改進(jìn)，設(shè)計人員在未來的電路板布局布線中可以考慮采用 TI 的通用解決方案。
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