除了傳統(tǒng)的 12V 網(wǎng)絡(luò)外，48V 電池子系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，這導(dǎo)致 HEV/EV 電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)發(fā)生顯著變化。48V 系統(tǒng)可以提供更大的功率，無需大量的布線，可降低線束的功率損耗，從而延長續(xù)航里程。隨著這一變化，車輛配電架構(gòu)正在從傳統(tǒng)的集中架構(gòu)過渡到區(qū)域架構(gòu)。在區(qū)域架構(gòu)中，配電、通信和負(fù)載驅(qū)動(dòng)根據(jù)在車輛中所處的位置而不是按功能分組，如圖 1 所示。區(qū)域架構(gòu)可降低系統(tǒng)復(fù)雜性，并為原始設(shè)備制造商 (OEM) 提供更多模塊化特性。

圖 1 現(xiàn)代車輛中的區(qū)域架構(gòu)

圖 2 區(qū)域控制模塊中的典型配電

圖 2 顯示了一種典型的配電方式，即使用多個(gè)電源為區(qū)域控制模塊實(shí)現(xiàn)冗余電源。理想二極管（詳見白皮書《理想二極管基礎(chǔ)》）非常適用于需要反向電流阻斷和/或反向極性的應(yīng)用。由于理想二極管具備反向電流保護(hù)功能，因此在需要組合多電源以提升系統(tǒng)冗余度 [2] 的應(yīng)用中也很有用。但是，市場上現(xiàn)有理想二極管控制器的絕對最大電壓額定值僅為 72V，并且在支持某些 48V 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面存在限制。

本文討論了為 48V 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ORing 級(jí)所面臨的挑戰(zhàn)，以及級(jí)聯(lián)理想二極管配置如何實(shí)現(xiàn)可靠的 ORing 解決方案來安全地處理輸入電源中斷和外部瞬態(tài)事件。

如圖 2 所示，初級(jí)配電需要不間斷的電力供應(yīng)。高壓電池 (VPRIM) 由 DC/DC 轉(zhuǎn)換器針對 48V 電壓軌進(jìn)行降壓，然后備用 48V 輔助電源 (VAUX) 在“或”運(yùn)算時(shí)提供冗余電源。如果VIN1 發(fā)生反極性故障，DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出 VIN2 將為整個(gè)負(fù)載供電，如簡化示意圖 3 所示。但是，這會(huì)導(dǎo)致輔助電源路徑上的 ORing 產(chǎn)生高壓應(yīng)力。48V 電源最高可達(dá) 54V 電壓，在控制器 LM74700D-Q1 的陰極至陽極引腳之間產(chǎn)生 108V 的大電壓差，這超過了 75V 的絕對最大額定值。該解決方案還需要額定電壓至少為120V 的 MOSFET，這些 MOSFET 比 60V FET 的價(jià)格高，并且很難從多個(gè)供應(yīng)商處采購。

圖 3 輸入反極性條件下的電壓應(yīng)力

由于關(guān)斷負(fù)載和加速器尖端短路，電氣系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生瞬態(tài)過壓。對于 48V 系統(tǒng)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)（ISO 21780 和 Liefervorschriften [LV] 148）規(guī)定了 E48-02 瞬態(tài)過壓曲線，如圖 4 所示。此曲線顯示，電壓最高可達(dá) 70V 并保持 40ms，某些 OEM 甚至達(dá)到 100ms。受測器件 (DUT) 必須能夠承受這些功能狀態(tài)為 A 的事件，且 DUT 必須執(zhí)行所有功能。請注意，對于如此高的功率和更寬的瞬態(tài)，使用 TVS 或齊納二極管進(jìn)行鉗位的做法不切實(shí)際。簡單地說，直接連接到 48V 電壓軌的集成電路在所有條件下都必須能夠承受 70V 的電壓。但是，如果考慮到開關(guān)瞬態(tài)或元件裕量，器件應(yīng)支持遠(yuǎn)高于 70V 的電壓。現(xiàn)有的理想二極管控制器在陽極到接地之間具有 72V 的絕對最大額定值，因此為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員留的裕度較小。

圖 4 LV 148 的 E48-02 瞬態(tài)過壓曲線

圖 5 顯示了一個(gè)使用單個(gè) LM74700D-Q1 的解決方案，但使用齊納鉗位電路可降低控制器陰極到陽極引腳之間 108V 的大電壓差。齊納二極管 DZ 可以將陰極到陽極之間的電壓限制在其絕對最大額定值 (75V) 以下，而電阻器 RZ 可以適當(dāng)?shù)仄?DZ。但是，該解決方案仍需要額定電壓至少為 120V 的 MOSFET，這比 60V FET 的價(jià)格高，并且很難從多個(gè)供應(yīng)商處采購。此外，在正常運(yùn)行時(shí)，電阻器 RZ 會(huì)導(dǎo)致陰極路徑額外下降，從而影響反向電流保護(hù)閾值。

圖 5 采用單個(gè)高電壓 MOSFET 的解決方案

建議的解決方案使用兩個(gè)理想二極管控制器，并分別以串聯(lián)配置連接 MOSFET Q1 和 Q2,如圖 6 所示。每個(gè)控制器的鉗位電路不僅可確保陰極至陽極低于 75V，還起到了均衡網(wǎng)絡(luò)的作用，從而確保在發(fā)生故障事件期間，Q1 和 Q2 之間共享相等的電壓。我們來考慮兩種常見故障場景下的電路工作原理

情況 1：啟動(dòng)期間，當(dāng)輸出 (VOUT) 的供電電壓為 54V 且輸入 VIN 為 0V 時(shí)，中點(diǎn)電壓 VMID 保持在 0V。由于出現(xiàn) VOUT > VMID 且 Q2 阻斷 54V 的反向電流阻斷場景，第二個(gè) LM74700D-Q1 控制器會(huì)使 GATE2 保持關(guān)斷狀態(tài)。在這種情況下，用戶可在 VIN 處施加 54V 的反向電壓，由于出現(xiàn)陽極 < 0V 且 Q1 阻斷 54V 的反極性場景，第一個(gè) LM74700D-Q1 控制器會(huì)使 GATE1 保持關(guān)斷狀態(tài)。

情況 2：在此場景中，VIN 以故障狀態(tài)（例如 -54V）啟動(dòng)，然后系統(tǒng)在 VOUT = 54V 的情況下上電。由于第一個(gè) LM74700D-Q1 控制器會(huì)使 GATE1 保持關(guān)斷狀態(tài)以阻止 VMID 處的反向電壓，因此中點(diǎn)電壓 VMID 保持在 0V。同樣，第二個(gè) LM74700D-Q1 控制器會(huì)因反向電流阻斷情況而使 GATE2 保持關(guān)斷狀態(tài)。MOSFET Q1 和 Q2 都會(huì)產(chǎn)生 54V 的電壓應(yīng)力。在故障情況下，MOSFET 兩端的電壓都低于 60V，因此該解決方案讓客戶可以靈活地選擇額定電壓為 60V 且易于從多個(gè)供應(yīng)商處采購的傳統(tǒng) FET。

如圖 6 所示，該解決方案還在接地路徑中包含一個(gè)瞬態(tài)鉗位網(wǎng)絡(luò)（DC、Q3、RB 和 DB），以處理超出 LM74700D-Q1 絕對最大額定值的開關(guān)瞬態(tài)電壓。在正常運(yùn)行時(shí)，器件接地端和系統(tǒng)接地端之間的電勢差只是 Q3 的 VBE，但只要 VIN 超過二極管 DC 的擊穿電壓 (VBR-DC)，晶體管 Q3 便會(huì)在其兩端降低電壓并將器件接地電勢升高。這有助于將 LM74700D-Q1 的陽極至接地電壓限制為接近直流擊穿電壓，從而有助于實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的瞬態(tài)處理解決方案。二極管 DB 的作用是在輸入電源反向條件下阻斷反向電流路徑。

圖 6 級(jí)聯(lián)理想二極管配置

務(wù)必要考慮如何選擇系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件來達(dá)到這些效果。

對于理想二極管 MOSFET Q1 和 Q2，具有 +/-20V VGS(MAX) 的 60V VDS(MAX) 可在所有故障條件下提供足夠的裕度。標(biāo)稱電流下的 RDS_ON：（20mV/標(biāo)稱電流）≤ RDSON ≤（50mV/標(biāo)稱電流）對于保持較低的反向電流十分重要。例如，在 5A 設(shè)計(jì)中，RDS_ON 的范圍在 4mΩ 到 12.5mΩ 之間。

MOSFET 柵極閾值電壓 Vth 的最大值為 2V。

PNP 晶體管 Q3 會(huì)在齊納二極管 DC 激活后出現(xiàn)最大壓降，并且其額定電壓應(yīng)大于 (VIN-MAX – VBR-DC)。它還必須支持 LM74700D-Q1 的靜態(tài)電流（小于 1mA）?？梢允褂?nbsp;BC857-Q 等晶體管。

對于齊納二極管 DZ1 和 DZ2：應(yīng)選擇 BZX84J-B62 等 62V 齊納二極管，以便將陰極限制為低于 75V 的陽極。對于齊納二極管 DC，直流電路的擊穿電壓 (VBR-DC) 決定了 VIN 上出現(xiàn)開關(guān)瞬態(tài)時(shí)，陽極至接地引腳之間的鉗位電壓。利用 BZX84J-B62 等 62V 齊納二極管可以限制電壓并為 LM74700D-Q1 提供足夠的裕度。阻斷二極管 DB 的阻斷電壓應(yīng)接近最大輸入電源反向電壓，因此應(yīng)選擇額定電壓至少為 60V 的二極管，例如 NSR0170P2T5G。

電阻器 RZ1 和 RZ2 是適用于 DZ1 和 DZ2 的偏置電阻器。1kΩ 到 2kΩ 范圍內(nèi)的任何值都應(yīng)該足夠了。電阻器 RB 是直流電的偏置電阻器，10kΩ 到 47kΩ 范圍內(nèi)的任何值都足以滿足要求。

圖 7 和圖 8 展示了在系統(tǒng)啟動(dòng)前后施加輸入反極性時(shí)，MOSFET 上的漏源電壓分布情況。如圖所示，MOSFET 共享相同的電壓，每個(gè) MOSFET 的最大電壓小于 60V。圖 9 顯示了接地路徑瞬態(tài)鉗位網(wǎng)絡(luò)的性能，其中陽極至 IC 接地鉗位至 62V，以應(yīng)對 VIN 上發(fā)生的 70V 負(fù)載突降事件。

圖 7 MOSFET 在輸入反極性條件下的電壓共享情況

圖 8 MOSFET 在輸出端熱插拔期間的電壓共享情況

(VIN = -54V)

圖 9 建議解決方案對 70V 負(fù)載突降事件的響應(yīng)

雖然 48V 系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也為配電級(jí)中的冗余電源 ORing 帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。建議的級(jí)聯(lián)理想二極管配置帶接地路徑瞬態(tài)鉗位網(wǎng)絡(luò)，使采用 60V 額定電壓且易于從多個(gè)供應(yīng)商處采購的傳統(tǒng) FET 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為可能。建議的方法還為開關(guān)瞬態(tài)提供了足夠的電壓裕度，從而在 48V 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可靠的 ORing 解決方案。