Con la proliferazione degli impianti elettrici nei veicoli moderni, il tradizionale sistema elettrico a 12 V comincia a perdere i colpi. L’introduzione di un sistema alternativo a 48 V offre una potenza maggiore per azionare sistemi come lo sterzo elettrico e la sovralimentazione, riducendo nel contempo il peso e il costo dei cablaggi.
Con componenti elettronici, motori e attuatori che vengono aggiunti in numero sempre maggiore ai veicoli con motore a combustione interna (ICE), l’impianto elettrico automotive convenzionale a circuito chiuso a 12 V basato su una batteria al piombo-acido caricata dall’alternatore, sta rivelando i suoi limiti. Ad esempio, quando si utilizza un sistema a 12 V, le applicazioni ad alta potenza come lo sterzo elettrico assorbono una corrente elevata, che impone l’uso di cablaggi più ingombranti e pesanti. Questo peso supplementare diventa significativo in un veicolo moderno, che può contenere diversi chilometri di cablaggio. Un approccio alternativo impiega i sistemi a tensione superiore per le applicazioni energivore per ridurre l’assorbimento di corrente e alleggerire il cablaggio. Le implementazioni commerciali sono caratterizzate da una rete convenzionale a 12 V integrata da un sistema a 48 V basato su batterie agli ioni di litio (Li-ion). Il sistema a 12 V viene utilizzato per applicazioni quali la gestione del motore, l’illuminazione e la regolazione del sedile e delle portiere, mentre il sistema a 48 V si prende cura delle esigenze più gravose di funzioni come lo sterzo elettrico, l’avviamento e l’HVAC. Questi impianti elettrici ibridi automotive portano una maggiore complessità e, con essa, nuove sfide progettuali. La chiave di queste sfide è la gestione della carica e della scarica simultanea dei due circuiti di batteria, compreso lo step-down bidirezionale (buck) e lo step-up (boost) tra le batterie. Questo articolo descrive l’evoluzione degli impianti elettrici automotive a doppia alimentazione 12/48 V e spiega i vantaggi dei nuovi sistemi. Esamina inoltre come utilizzare i regolatori di tensione bidirezionali a 12/48 V di Analog Devices e Texas Instruments per semplificare la progettazione dei sistemi a doppia tensione. L’articolo considera anche i vantaggi di una futura topologia veicolare decentrata solo a 48 V, ed esamina un convertitore di bus di Vicor adatto a tale scopo.
La sfida del passaggio alla progettazione a 12/48 V
Il passaggio a sistemi a 12/48 V è in gran parte incoraggiato dalla necessità di guidare dispositivi ad alto consumo energetico, garantendo al tempo stesso che il veicolo soddisfi sempre le severe normative in materia di economia e di emissioni. Ad esempio, il passaggio dalla trazione meccanica a quella elettrica per lo sterzo o i sovralimentatori riduce drasticamente le perdite per attrito e aumenta il risparmio di carburante. Secondo alcuni produttori di automobili, un impianto elettrico a 48 V comporta un aumento del 10-15% del risparmio di carburante con una riduzione proporzionale delle emissioni nocive. Il lato a 12 V del sistema continua ad essere necessario a causa del grande volume di dispositivi a 12 V ereditati che saranno inseriti nelle auto per molti anni a venire.
La configurazione 12/48 V è composta da due rami separati: il tradizionale bus a 12 V utilizza una tradizionale batteria al piombo per i carichi convenzionali, mentre il sistema a 48 V, alimentato da una batteria agli ioni di litio, supporta i carichi più pesanti. Mentre sono necessari due circuiti di carica separati per adattarsi all’elettrochimica delle rispettive batterie, deve esserci un meccanismo che permetta alla carica di muoversi tra di loro senza il pericolo di danneggiare la batteria o uno qualsiasi dei sistemi che alimentano. Ci deve essere anche un meccanismo per fornire energia supplementare al rail di tensione opposto in condizioni di sovraccarico.
Un nuovo standard automotive proposto di recente - LV 148 - descrive la combinazione del bus 48 V con l’esistente sistema automotive a 12 V. Il sistema a 48 V incorpora un dispositivo di avviamento integrato (ISG) o un generatore di avviamento a cinghia e la batteria agli ioni di litio. Il sistema è in grado di erogare decine di kilowatt ed è destinato alle auto convenzionali, così come ai veicoli ibridi elettrici e ibridi leggeri.
La progettazione di un sistema a 12/48 V è impegnativa, perché richiede un’attenta gestione del trasferimento di potenza dal rail a 48 V del veicolo al rail a 12 V e viceversa. Un’opzione è quella di utilizzare un convertitore buck per lo step-down di tensione, mentre il trasferimento di potenza nella direzione opposta potrebbe avvenire con un convertitore boost. Ma la progettazione in convertitori c.c./c.c. separati occupa spazio prezioso sulla scheda e aumenta il costo e la complessità del sistema. Un approccio alternativo è quello di utilizzare un singolo convertitore c.c./c.c. bidirezionale buck/boost posto tra le batterie da 12 e 48 V. Tale convertitore può essere utilizzato per caricare le batterie o per consentir loro di fornire corrente ai vari carichi elettrici del veicolo (Figura 1).
Controller di corrente bidirezionali
I componenti di gestione della potenza per i sistemi a 12/48 V sono stati progettati per soddisfare lo standard LV 148. In particolare, ciò comporta una forte richiesta di sovratensione sui chip. Lo standard permette una tensione massima su un rail a 48 V fino a 70 V per almeno 40 ms, con il sistema che rimane funzionale senza perdita prestazionale durante un evento di sovratensione. Per i fornitori di semiconduttori, ciò significa che tutto ciò che è collegato al rail a 48 V del veicolo deve resistere a 70 V all’ingresso (più un margine di sicurezza, portando il requisito complessivo fino a 100 Vs).
LT8228 di Analog Devices, un controller bidirezionale a 100 V a corrente costante o a V costante sincrono buck o boost (vedere l’articolo tecnico Digi-Key, Controllo della modalità di corrente e di tensione per la generazione di segnali PWM nei regolatori a commutazione c.c./c.c.) con una rete di compensazione indipendente, è un esempio di un alimentatore bidirezionale progettato per soddisfare le specifiche BT 148.
Il controller accetta due ingressi: V1, un’alimentazione da 24 a 54 V dalla batteria agli ioni di litio e V2, un ingresso a 14 V dalla batteria al piombo-acido (Figura 2). Le uscite sono 48 Vs a 10 A in modalità boost e 14 Vs a 40 A in modalità buck. Il chip può resistere a 100 Vs sia sugli ingressi che sulle uscite. Il modo di funzionamento è controllato esternamente da un microcontroller attraverso il pin DRXN oppure è selezionato automaticamente.
I MOSFET di ingresso e uscita proteggono da tensioni negative, controllano le correnti di inserzione e forniscono l’isolamento tra i terminali in condizioni di guasto come cortocircuiti nei MOSFET a commutazione. In modalità buck, i MOSFET di protezione al terminale V1 (ingresso da 24 V a 54 V) impediscono la corrente inversa. In modalità boost, gli stessi MOSFET regolano la corrente di inserzione in uscita e si proteggono con un interruttore automatico regolabile. La diagnostica e la segnalazione di guasti interni ed esterni sono disponibili tramite pin appositi.
Texas Instruments (TI) offre anche un controller di corrente bidirezionale a due canali e ad alte prestazioni conforme a LV 148, il modello LM5170. Il dispositivo gestisce il trasferimento di corrente tra una porta ad alta tensione (porta HV) (collegata alla batteria agli ioni di litio da 48 V) e una porta a bassa tensione (porta LV) (collegata alla batteria piombo-acido da 12 V). I segnali di abilitazione indipendenti attivano ogni canale del doppio controller.
Gli amplificatori per il rilevamento di corrente differenziale a due canali e i monitor di corrente del canale dedicati raggiungono una precisione dell’1%. I robusti gate driver a semiponte da 5 A sono in grado di controllare interruttori MOSFET paralleli che erogano 500 W o più per canale. Il controller può funzionare in modalità discontinua per una migliore efficienza in condizioni di basso carico (vedere l’articolo tecnico Digi-Key La differenza tra le modalità continua e discontinua di un regolatore a commutazione e perché è importante) e previene anche la corrente negativa. Le caratteristiche di protezione includono il limite di corrente di picco ciclo per ciclo, la protezione da sovratemperatura di entrambi i rail della batteria a 48 e 12 V, il rilevamento e la protezione dai guasti degli interruttori MOSFET e la protezione da sovratemperatura.
LM5170 utilizza il controllo della modalità di corrente media, che semplifica la compensazione eliminando lo zero a metà piano destro nella modalità operativa boost e mantenendo un guadagno costante dell’anello indipendentemente dalle tensioni operative e dal livello di carico.
I controller di corrente bidirezionali di Analog Devices e TI includono caratteristiche che semplificano la progettazione di circuiti di gestione della potenza in dispositivi elettronici automotive a doppio 12/48 V. Ad esempio, i componenti consentono l’uso degli stessi componenti di potenza esterna, sia che si tratti di potenziare la tensione da una batteria o di ridurre la tensione dall’altra. Ciò consente di risparmiare spazio e costi e di ridurre la complessità del circuito. Tuttavia, la scelta di questi componenti esterni deve essere ponderata attentamente.
Progettazione di circuiti applicativi
La selezione dei componenti esterni quando si usa T8228 di Analog Devices (così come il dispositivo TI) è tipicamente quella valida per la progettazione di un regolatore a commutazione. Ad esempio, la frequenza di commutazione (fSW) e il valore dell’induttore (L) sono scelti per ottimizzare l’efficienza, le dimensioni fisiche e il costo. Allo stesso modo, il resistore di rilevamento della corrente dell’induttore, RSNS2, insieme ai resistori di guadagno in ingresso, RIN2, sono selezionati per il limite della corrente di picco dell’induttore, l’efficienza e la precisione di rilevamento della corrente (Figura 3).
Il condensatore CDM2 è scelto per limitare la tensione di ripple di uscita boost e di ingresso buck; analogamente, il condensatore CDM4 è scelto per limitare la tensione di ripple di ingresso boost e uscita buck. Il condensatore CDM1 sul pin V1D è utilizzato per il bypass del rumore. I condensatori di smorzamento CV1 e CV2 sono scelti con il loro equivalente valore di resistenza in serie (VES) progettato per ridurre la risonanza dovuta all’induttanza del filo in serie collegato rispettivamente a V1 e V2.
Le compensazioni degli anelli di regolazione buck e boost sono scelte per ottimizzare la larghezza di banda e la stabilità. Per ulteriori informazioni sulla progettazione con regolatori e controller di tensione a commutazione, vedere gli articoli tecnici Digi-Key: “Compromessi di progettazione nella scelta di un regolatore a commutazione ad alta frequenza”, “Capire la risposta dell’anello di controllo di un regolatore a commutazione” e “Uso di regolatori a commutazione a basse EMI per ottimizzare i progetti di alimentazione ad alta efficienza.”
Dopo aver selezionato i componenti per soddisfare i principi di buona progettazione per un regolatore a commutazione, sono necessarie alcune specifiche selezioni di componenti per soddisfare i requisiti di un’applicazione automotive bidirezionale a 12/48 V.
Ad esempio, il limite di corrente di uscita buck, il limite di corrente di ingresso boost e il monitor di corrente V2 di LT8228 sono impostati rispettivamente dai resistori RSET2P, RSET2N e RMON2. Poi si selezionano il resistore di rilevamento della corrente V1, RSNS1 (in alto a sinistra nello schema), insieme ai rispettivi resistori di guadagno in ingresso RIN1, per ottimizzare l’efficienza e la precisione di rilevamento della corrente.
T8228 di Analog Devices utilizza lo stesso induttore per il funzionamento in modalità buck e in modalità boost. In modalità buck la corrente dell’induttore è la corrente di uscita V2, mentre in modalità boost è la corrente di ingresso V2. La corrente di picco dell’induttore dovrebbe essere almeno del 20 al 30% superiore alla corrente massima dell’induttore delle modalità buck e boost. Ciò garantisce che la massima regolazione della corrente media non sia influenzata dal limite di corrente di picco dell’induttore in entrambe le modalità di funzionamento. La corrente dell’induttore viene rilevata attraverso RSNS2, che viene posto in serie con l’induttore. La corrente di picco dell’induttore IL(PEAK) viene rilevata quando ICSA2 raggiunge normalmente 72,5 µA.
I valori alti RSNS2 (in alto a destra) migliorano l’accuratezza di rilevamento della corrente mentre i valori bassi RSNS2 migliorano l’efficienza. Il progettista dovrebbe selezionare il valore di RSNS2 in modo che la tensione di offset referenziata dall’ingresso di CSA2 non influisca sulla precisione di rilevamento della corrente, riducendo al minimo la perdita di energia attraverso l’induttore. Una tensione consigliata attraverso RSNS2 alla corrente di picco dell’induttore è tra 50 e 200 mV.
Dopo aver impostato il limite della corrente di picco dell’induttore, si impostano il limite della corrente di uscita boost, il limite della corrente di ingresso buck e V1 rispettivamente dai resistori RSET1N, RSET1P e RMON1. I condensatori paralleli ai resistori RSET sono scelti per impostare i limiti di corrente alla corrente media dei resistori di rilevamento della corrente.
Le soglie di regolazione delle tensioni e della sovratensione di V1D (l’uscita regolata in modalità boost) e V2D (uscita regolata in modalità buck) sono impostate selezionando i partitori resistivi sui pin FB1 e FB2. Le soglie di sottotensione di V1 e V2 sono impostate selezionando i partitori resistivi sui pin UV1 e UV2.
Il circuito esterno di T8228 di Analog Devices richiede anche sei MOSFET di potenza (Figura 4) che dovrebbero essere selezionati in base a considerazioni di efficienza e di cedimento. I diodi Schottky (D2 e D3) sono opzionali e devono essere scelti in base alle considerazioni di efficienza.
Quando T8228 di Analog Devices funziona in modalità buck, il MOSFET a commutazione M2 è l’interruttore principale e il MOSFET M3 è l’interruttore sincrono; V1D (il nodo dipendente dal regolatore boost e che si trova appena sopra e a sinistra del controller DG1 nella Figura 3) è la tensione di ingresso e V2D (il nodo dipendente dal convertitore buck, in alto a destra nella Figura 3 - appena a sinistra dei MOSFET buck) è la tensione di uscita buck regolata. In modalità boost, la situazione si inverte, con M3 che agisce come interruttore principale e M2 come interruttore sincrono, V2D come tensione di ingresso e V1D come tensione di uscita.
Durante il tempo di inattività della commutazione, entrambi i MOSFET di commutazione, M2 e M3, saranno soggetti alla massima tensione di ingresso (più eventuali sovraoscillazioni aggiuntive sul nodo dell’interruttore) sul percorso drain-source. Questo rende la tensione di cedimento (BVDSS) il parametro più importante nella selezione dei MOSFET di commutazione nelle applicazioni ad alta tensione.
Il progettista deve anche considerare la dissipazione di potenza dei MOSFET. Un’eccessiva dissipazione incide sull’efficienza del sistema e potrebbe surriscaldare e danneggiare i MOSFET. I parametri chiave per determinare la dissipazione di potenza sono la resistenza nello stato On (RDSon), la tensione di ingresso, la tensione di uscita, la corrente di uscita massima e la capacità Miller (CMILLER).
Eliminare la batteria da 12 V
La maturità e l’affidabilità di un sistema con batteria al piombo-acido da 12 V non ne determinerà presto la scomparsa. Ma le case automobilistiche stanno già lavorando su impianti per i nuovi veicoli che funzionano a partire da 48 V (utilizzando batterie che forniscono da 48 a 800 V). Tali sistemi impiegano convertitori non isolati e bidirezionali in grado di gestire diversi kilowatt di potenza e di fornire energia sia ai dispositivi elettrici convenzionali a 12 V sia alle unità a tensioni superiori.
Un esempio di tale convertitore è NBM2317S60E1560T0R di Vicor, un convertitore ad alta efficienza non isolato che funziona da un bus di tensione high-side da 38 V a 60 V per fornire una tensione low-side da 9,5 V a 15 V. Il dispositivo offre una potenza di uscita continua massima di 800 W con una capacità di potenza di picco fino a 1 kW. Nella modalità buck, la corrente di uscita è di 60 A continui e 100 A transitori; nella modalità boost, i valori sono di 15 A continui e 25 A transitori. La densità di potenza del dispositivo è di 274 W/cm3. L’efficienza di picco è specificata al 97,9%.
Il dispositivo misura 23×17×7,5 mm, occupando meno spazio rispetto alle soluzioni a commutazione più lenta (sotto 1 MHz). Il numero di componenti esterni necessari è ridotto perché il convertitore non richiede filtri esterni o condensatori a effetto di massa. Non è inoltre richiesta la sostituzione a caldo o la limitazione della corrente di inserzione.
Un modo per implementare un’architettura a 12/48 V alimentata da una singola batteria a 48 V è una topologia centralizzata. Questa topologia si basa su un unico convertitore bidirezionale di grande capacità. Un sistema di questo tipo presenta diversi svantaggi, tra cui le difficoltà di gestione termica, la mancanza di ridondanza incorporata e il costo e il peso dei cablaggio necessari per le applicazioni a bassa tensione (12 V)/alta corrente.
Il dispositivo di Vicor è stato progettato per risolvere questi problemi facilitando un’architettura decentralizzata per un impianto elettrico a 12/48 V. La ridondanza è integrata attraverso l’uso di convertitori multipli e i cablaggi da 12 V possono essere accorciati e quindi resi molto più leggeri. Inoltre, le difficoltà di gestione termica sono notevolmente alleviate. Ad esempio, in un sistema centralizzato, un singolo convertitore che fornisce 3 kW di potenza e funziona al 95% di efficienza dovrà dissipare 150 W, in gran parte sotto forma di calore. In confronto, ciascuno dei convertitori in un sistema distribuito composto da quattro dispositivi che produce 750 W al 95% di efficienza dissiperebbe 37,5 W. Mentre le perdite complessive rimangono invariate, la temperatura di ogni convertitore è notevolmente ridotta (Figura 5). Vicor ha reso la vita più facile ai progettisti che desiderano sperimentare la progettazione di sistemi a 12/48 V con la scheda di valutazione NBM2317D60E1560T0R per i suoi CI della linea NBM2317. La scheda viene fornita preconfigurata in una topologia buck con un ingresso da 38 V a 60 V e una singola uscita non isolata a 13,5 V.
È impraticabile passare a breve termine a un unico sistema a 48 V a causa del volume di prodotti a 12 V tradizionali ancora utilizzati nei veicoli. La soluzione è quella di far convivere i sistemi a 12 V e 48 V, ciascuno con la propria batteria.
