一种汽车48V轻混系统的双向DC/DC转换器的制作方法

本实用新型涉及电气控制领域，具体地说，涉及一种汽车48v轻混系统的双向dc/dc转换器。

背景技术：

随着社会逐步现代化，减少由过量排放引起的环境负担已成为全世界包括汽车在内的所有行业中日益增长的趋势，二氧化碳虽然没有被管制为空气污染物，但却被交通部门列为对气候变化产生影响的主要因子。2009年，欧盟委员会将2015年汽车的平均co2排放量目标设定为每公里130克，制造商可以建立长达五年的透明池以实现此目标；2016年，售出新车的平均排放水平为每公里118.1克；欧洲委员会最近引入了一项新的co2排放限值规定，到2020年，对于每个汽车制造商的排放平均值开始实行更加严格的规定，即每公里二氧化碳排放量限制为95克。

违反这些规定将导致汽车制造商支付超额的排放溢价，因此汽车制造商开始采用各种策略来满足这些排放要求，增加车载电源电压是这些策略之一。欧洲汽车行业鼓励将48v技术作为车载电源的下一步发展，48v技术可更好地优化车辆的功率分配，减轻重量并实现轻度混合动力运行，同时保持合理的成本，有助于减少二氧化碳的排放。但是这并不代表传统的12v系统将被完全淘汰，故优化48v汽车轻混系统的双向dc/dc转换器是现在技术急需解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种汽车48v轻混系统的双向dc/dc转换器，该转换器采用lm5170-q1，它是一种双向开关模式电流控制器。在运行时，该双向dc-dc转换器更多地用作方向可变的理想电流源，这个配置允许其在两个电压域之间进行能量传输，且基于微控制器的电压反馈仅将输出电压保持在可接受的工作范围内，并最终允许电池组的自定义充电配置。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：一种汽车48v轻混系统的双向dc/dc转换器包含12v断路器、功率级模块、48v滤波器、48v断路器、开关稳压器、降压开关稳压器、同步降压转换器、监控电路、数字温度传感器、多相双向电流转换器、微控制器和运算放大器，所述的12v断路器连接着12v电池正极；所述的12v断路器连接着功率级模块；所述的功率级模块连接着48v滤波器；所述的48v滤波器连接着48v断路器；所述的48v断路器连接着48v电池正极；所述的开关稳压器输入端连接着12v电池负极；所述的开关稳压器输出端连接着降压开关稳压器输入端；所述的降压开关稳压器输入端连接着48v电池；所述的降压开关稳压器输出端连接着同步降压转换器输入端；所述的同步降压转换器输出端连接着监控电路输入端；所述的监控电路输出端连接着微控制器输入端；所述的监控电路输出端连接着多相双向电流转换器输入端；所述的多相双向电流转换器输出端连接着12v断路器输入端；所述的多相双向电流转换器连接着功率级模块；所述的多相双向电流转换器输入端连接着微控制器输出端；所述的微控制器输入端连接着运算放大器输出端；所述的微控制器连接着数字温度传感器；所述的数字温度传感器连接着功率级模块；所述的运算放大器连接着12v电池；所述的运算放大器连接着48v电池。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种汽车48v轻混系统的双向dc/dc转换器所述开关稳压器采用mc33063a-q1，该器件主要由内部温度补偿基准电压源、比较器、振荡器、具有有源限流功能的pwm控制器、驱动器和大电流输出开关组成。因此，该器件仅需最少的外部组件即可在升压、降压和反相拓扑中构建转换器。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种汽车48v轻混系统的双向dc/dc转换器所述降压开关稳压器采用lm5010a-q1，该型开关稳压器是lm5010的增强版，其输入工作范围扩展至最小6v，具有成本低和高效的优点，能够提供超过1a的负载电流。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种汽车48v轻混系统的双向dc/dc转换器所述同步降压转换器采用tps560200-q1，其是一款17v、500ma、低iq、自适应导通时间d-cap2模式的同步单片降压转换器，具有易于使用的8引脚msop封装的集成mosfet。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种汽车48v轻混系统的双向dc/dc转换器所述监控电路采用tps3306-q1，其是一种用于具有两个电源电压的电路初始化的监控电路，这两个电源主要是在数字信号处理和基于处理器的系统中。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种汽车48v轻混系统的双向dc/dc转换器所述多相双向电流控制器采用lm5170-q1，该控制器提供了用于汽车48v和12v双电池系统的双通道双向转换器的基本高压和精密元件，调节dir输入信号指定的方向上在高压端口和低压端口之间流动的平均电流，电流调节水平可以通过模拟或数字pwm输入进行编程，双通道差分电流检测放大器和专用通道电流监视器的典型电流精度达到1％。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种汽车48v轻混系统的双向dc/dc转换器所述微控制器采用tms320f28027，该微控制器提供c28x内核的功能以及低引脚数设备中的高度集成的控制外设，提供高水平的模拟集成，内部稳压器允许单轨运行。hrpwm经过增强，可以实现双沿控制（频率调制），添加了具有内部10位基准的模拟比较器，可以将其直接路由以控制pwm输出。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种汽车48v轻混系统的双向dc/dc转换器所述数字温度传感器采用tmp102-q1，该器件是一种数字温度传感器，非常适合需要高精度的ntc/ptc热敏电阻替换，无需校准或外部元件信号调理即可提供±0.5°c的精度，集成电路温度传感器是高度线性的，不需要复杂的计算或查找表即可得出温度。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种汽车48v轻混系统的双向dc/dc转换器所述运算放大器采用tlc2272-q1，该器件是双通道运算放大器，具有轨到轨输出性能，可在单电源或分电源应用中提高动态范围。

本实用新型的有益效果：该双向dc/dc转换器是基于并联运行四个降压功率级的多相交错式dc-dc转换器，对于高功率应用而言，多相转换器是显而易见的选择。多相交错式dc-dc转换器的典型好处是输出纹波更低，与单相转换器相比，它允许使用更小的电容器，更快的瞬态响应，更小的电感器尺寸以及板上的平均功耗分布。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型一种汽车48v轻混系统的双向dc/dc转换器的结构示意图。

图2为本实用新型一种汽车48v轻混系统的双向dc/dc转换器所述的微控制器电压和电流反馈回路的简化框图。

具体实施方式

结合图1、2说明本实施方式，本实施方式所述一种汽车48v轻混系统的双向dc/dc转换器包含12v断路器、功率级模块、48v滤波器、48v断路器、开关稳压器、降压开关稳压器、同步降压转换器、监控电路、数字温度传感器、多相双向电流转换器、微控制器和运算放大器。

所述多相双向电流转换器采用一对lm5170-q1器件，控制所有四个功率级。lm5170-q1多相双向电流控制器提供了包括栅极驱动器和电流检测在内的完整控制，该器件没有任何电压反馈环路，并充当由脉冲宽度调制（pwm）或模拟信号驱动的开关模式电流源，流向负载的电流量由isetd信号上的占空比给出，方向（降压或升压）由dir信号设置。

所述微控制器使用一个基于tms320f28027c2000™piccolo32-bmcu的数字电压反馈环路，其运行频率为50mhz，图2给出了单相的简化框图。mcu中的12位模数转换器每20.48µs定期读取一次输出电压，通过负载的电流对应于输出电压，数字误差放大器将adc的值与预设值进行比较。然后，带有数字补偿器的数字控制环路将计算误差、并为isetd引脚设置新的占空比。mcu可以选择监视imon引脚上的电压，该电压对应于流经电感器的电流，但此信息不用于控制回路。

通过基于背靠背n-mosfet配置的断路器将转换器的每一侧与相应的电源轨断开，lm5170-q1器件完全控制12v侧的断路器，该器件可防止极性反接的情况，并且在系统关闭时允许极低的待机电流（iq）。lm5170-q1设备检测到故障时，断路器将关闭，这种情况由nfault引脚报告。lm5060-q1高端保护控制器控制48v侧断路器，尽管对于48v电源轨通常不需要反极性保护，但背对背n-mosfet配置可用于在系统关闭时防止任何电流流过。lm5060-q1器件可在发生欠压、过压和过流事件时触发，可以通过12v或48v电源轨打开系统。

如果en12信号触发了从12v端导通的情况，则使用基于mc33063a-q1器件的预升压dc-dc转换器，该预升压电路的输入绕过高电流12v断路器。预升压dc-dc转换器的输出设置为大约28v，为12v断路器提供足够的栅极电压。升压前的dc-dc使用基于磁滞的控制方案，因此当存在48v电压时会自动停止开关，当存在p48v电压时，可以通过将en12信号设置为低电平来进一步降低待机电流消耗。

偏置电源需要两个额外的dc-dc转换器。lm5010-q1是一款高vin降压转换器，具有10v输出，可为lm5170-q1器件提供偏置。tps560200-q1器件用于为其余电路供电。

设计中提供了一个简单的诊断模块：通过i2c总线通信的四个可配置的tmp102-q1温度传感器监视每个功率级的温度，这些温度传感器的alert输出信号连接到关闭信号，该信号在达到过热阈值后关闭所有功率级、tps3306-q1电压监控器、看门狗监控mcu和电压轨。可编程功能输入检测kl30上的极性，在kl30上极性相反时，需要使用此功能来限制12v断路器的断开。若没有此限制，高电流将在所有功率级中流经底部mosfet的电感器和体二极管，从而导致永久性损坏。

虽然本实用新型已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。