??無(wú)論是從2kW的鉛酸電池來(lái)冷啟動(dòng)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī),還是從400kW 以上的400V鋰電池讓電動(dòng)汽車(chē)在「急速」模式下達(dá)到最高的性能,車(chē)輛的峰值功率都可能極高。任何電池的容量都有限制,因此大力開(kāi)發(fā)功率轉(zhuǎn)換器以提高效率、減少重量和尺寸,并采用最新的半導(dǎo)體技術(shù)逐步減少損耗,這一切都吸引了眾人的目光。汽車(chē)電子產(chǎn)品當(dāng)然還必須在嚴(yán)苛的環(huán)境中可靠地工作,同時(shí)遵循國(guó)際和OEM特定的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)布局、設(shè)計(jì)、制造確保產(chǎn)品的可靠性。
??車(chē)載DC/DC轉(zhuǎn)換器
??除主動(dòng)力總成系統(tǒng)以外,車(chē)輛的功率轉(zhuǎn)換級(jí)別有很多種:以12V至48V低壓電源來(lái)說(shuō),輔助DC/DC發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)換器可為無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)、高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)或信息娛樂(lè)系統(tǒng)提供低電壓(圖1)。而在更高的400V系統(tǒng)中,電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統(tǒng)(BMS)需要隔離良好的內(nèi)務(wù)管理電源。最基本的功率等級(jí)可能只有幾瓦,但所采用的DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率應(yīng)該與大功率傳動(dòng)系統(tǒng)的相同以保持低溫和高可靠性。許多低功率轉(zhuǎn)換器的工作環(huán)境跟功率轉(zhuǎn)換器相似,需要應(yīng)付溫度大幅變化以及具備相同的抗沖擊性和抗震能力。板級(jí)上的轉(zhuǎn)換器通常沒(méi)有傳導(dǎo)冷卻或強(qiáng)制冷卻,經(jīng)常處于密閉環(huán)境僅依靠對(duì)流來(lái)冷卻。有趣的是,隨著車(chē)輛中電子設(shè)備數(shù)量增加,低功率轉(zhuǎn)換器在汽車(chē)應(yīng)用上的功能與IT、工業(yè)甚至商用轉(zhuǎn)換器的功能越來(lái)越趨于一致。
??例如,為安費(fèi)諾代理商CAN總線(xiàn)和以太網(wǎng)總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)提供5V隔離電源,為處理器、FPGA和ASIC提供低于1V的電源,以及為舊設(shè)備和娛樂(lè)系統(tǒng)提供12V的電源,以上都有要求要符合。隨著開(kāi)發(fā)出各種新型純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē),設(shè)備設(shè)計(jì)人員正在尋找模塊化DC/DC轉(zhuǎn)換器,使用預(yù)認(rèn)證的方式加快上市速度,成本卻不會(huì)比分立式設(shè)計(jì)來(lái)得高。作為DC/DC轉(zhuǎn)換器歷史悠久的制造商,molex正致力于這一市場(chǎng)。
汽車(chē)環(huán)境中的低功率DC/DC轉(zhuǎn)換器
??車(chē)輛之電力電子環(huán)境
??模塊化DC/DC轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)很廣,包含了商用、工業(yè)甚至醫(yī)療。但是現(xiàn)成部件的輸入電壓范圍通常不適合汽車(chē)應(yīng)用。許多車(chē)輛類(lèi)型中還是很常見(jiàn)12V和24V電池,電壓的變化范圍很廣,最低可以從寒冷環(huán)境的「冷啟動(dòng)」到最高的「重負(fù)載」高電壓浪涌值。標(biāo)準(zhǔn)LV124(也稱(chēng)為VW80000)設(shè)置12V標(biāo)稱(chēng)鉛酸電池系統(tǒng)的電平,而LV148適用于48V鋰離子電池,這在中度混合電動(dòng)車(chē)(SHEV)中越來(lái)越常見(jiàn)(圖2)。除了連續(xù)重負(fù)載工作電壓范圍外,還有兩個(gè)極性但能量較低的快速瞬態(tài)電壓。ISO-7637-2和ISO 16750-2為適用于電源線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。
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??符合LV124和LV148的車(chē)輛電壓
??雖然標(biāo)準(zhǔn)的4:1電信轉(zhuǎn)換器可應(yīng)付大多數(shù)標(biāo)稱(chēng)12V的輸入電壓,但只有專(zhuān)為汽車(chē)設(shè)計(jì)的DC/DC產(chǎn)品才能滿(mǎn)足所有12V(9-36V)的電壓變化。48V鋰電池的電壓范圍有更嚴(yán)格的限制,因此20-60V輸入的3:1模塊電源才適用于48V系統(tǒng)。汽車(chē)規(guī)格通常還包括反向電壓保護(hù)以及快速高壓瞬變抗擾度,因此在任何情況下通常都需要外部保護(hù)或?yàn)V波網(wǎng)絡(luò)。LV標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了各種壓降、緩慢變化的電壓條件以及頻率范圍為15Hz至200kHz、高達(dá)6V峰峰值的疊加交流電壓。而低功率轉(zhuǎn)換器已經(jīng)有集成可用的濾波和保護(hù)功能,可以為其他設(shè)備供電。
??電磁兼容性(EMC)是汽車(chē)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素,而DC/DC轉(zhuǎn)換器為了效率采用開(kāi)關(guān)模式,成為潛在的干擾源。符合CISPR-25的排放限制是常見(jiàn)的要求,除了標(biāo)準(zhǔn)DC/DC模塊的內(nèi)置功能以外,通常還需要高頻濾波。轉(zhuǎn)換器還必須對(duì)規(guī)定的EMI傳導(dǎo)和輻射等級(jí)以及靜電放電具備足夠的抗擾性。制造商如RECOM是DC/DC轉(zhuǎn)換器和EMC的濾波專(zhuān)家,提供符合各種EMC標(biāo)準(zhǔn)的濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例和演示板。 汽車(chē)應(yīng)用的環(huán)境條件與其他領(lǐng)域大不相同,在某些情況下甚至可以比軍規(guī)苛刻,很大一部分成本可能會(huì)花在冷卻和防振裝置上。工業(yè)級(jí)DC/DC似乎最適合車(chē)用,工作溫度通常在-40°C至+85°C或更高。工業(yè)環(huán)境相對(duì)恒定,而車(chē)輛的不同區(qū)域的溫度會(huì)大幅變化,如在極寒的環(huán)境下啟動(dòng)后迅速?gòu)牧阆伦兊礁邷?,或太?yáng)底下的汽車(chē)在開(kāi)冷氣之后從高溫降到低溫。汽車(chē)的機(jī)械沖擊和振動(dòng)要求也很?chē)?yán)苛,工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不足以滿(mǎn)足要求。
? ?無(wú)論是從2kW的鉛酸電池來(lái)冷啟動(dòng)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī),還是從400kW 以上的400V鋰電池讓電動(dòng)汽車(chē)在「急速」模式下達(dá)到最高的性能,車(chē)輛的峰值功率都可能極高。任何電池的容量都有限制,因此大力開(kāi)發(fā)功率轉(zhuǎn)換器以提高效率、減少重量和尺寸,并采用最新的半導(dǎo)體技術(shù)逐步減少損耗,這一切都吸引了眾人的目光。汽車(chē)電子產(chǎn)品當(dāng)然還必須在嚴(yán)苛的環(huán)境中可靠地工作,同時(shí)遵循國(guó)際和OEM特定的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)布局、設(shè)計(jì)、制造確保產(chǎn)品的可靠性。
車(chē)載DC/DC轉(zhuǎn)換器
除主動(dòng)力總成系統(tǒng)以外,車(chē)輛的功率轉(zhuǎn)換級(jí)別有很多種:以12V至48V低壓電源來(lái)說(shuō),輔助DC/DC發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)換器可為無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)、高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)或信息娛樂(lè)系統(tǒng)提供低電壓(圖1)。而在更高的400V系統(tǒng)中,電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統(tǒng)(BMS)需要隔離良好的內(nèi)務(wù)管理電源。最基本的功率等級(jí)可能只有幾瓦,但所采用的DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率應(yīng)該與大功率傳動(dòng)系統(tǒng)的相同以保持低溫和高可靠性。許多低功率轉(zhuǎn)換器的工作環(huán)境跟功率轉(zhuǎn)換器相似,需要應(yīng)付溫度大幅變化以及具備相同的抗沖擊性和抗震能力。板級(jí)上的轉(zhuǎn)換器通常沒(méi)有傳導(dǎo)冷卻或強(qiáng)制冷卻,經(jīng)常處于密閉環(huán)境僅依靠對(duì)流來(lái)冷卻。有趣的是,隨著車(chē)輛中電子設(shè)備數(shù)量增加,低功率轉(zhuǎn)換器在汽車(chē)應(yīng)用上的功能與IT、工業(yè)甚至商用轉(zhuǎn)換器的功能越來(lái)越趨于一致。?
例如,為CAN總線(xiàn)和以太網(wǎng)總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)提供5V隔離電源,為處理器、FPGA和ASIC提供低于1V的電源,以及為舊設(shè)備和娛樂(lè)系統(tǒng)提供12V的電源,以上都有要求要符合。隨著開(kāi)發(fā)出各種新型純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē),設(shè)備設(shè)計(jì)人員正在尋找模塊化DC/DC轉(zhuǎn)換器,使用預(yù)認(rèn)證的方式加快上市速度,成本卻不會(huì)比分立式設(shè)計(jì)來(lái)得高。作為DC/DC轉(zhuǎn)換器歷史悠久的制造商,
圖1:汽車(chē)環(huán)境中的低功率DC/DC轉(zhuǎn)換器
車(chē)輛之電力電子環(huán)境
模塊化DC/DC轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)很廣,包含了商用、工業(yè)甚至醫(yī)療。但是現(xiàn)成部件的輸入電壓范圍通常不適合汽車(chē)應(yīng)用。許多車(chē)輛類(lèi)型中還是很常見(jiàn)12V和24V電池,電壓的變化范圍很廣,最低可以從寒冷環(huán)境的「冷啟動(dòng)」到最高的「重負(fù)載」高電壓浪涌值。標(biāo)準(zhǔn)LV124(也稱(chēng)為VW80000)設(shè)置12V標(biāo)稱(chēng)鉛酸電池系統(tǒng)的電平,而LV148適用于48V鋰離子電池,這在中度混合電動(dòng)車(chē)(SHEV)中越來(lái)越常見(jiàn)(圖2)。除了連續(xù)重負(fù)載工作電壓范圍外,還有兩個(gè)極性但能量較低的快速瞬態(tài)電壓。ISO-7637-2和ISO 16750-2為適用于電源線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。
圖2:符合LV124和LV148的車(chē)輛電壓
? 雖然標(biāo)準(zhǔn)的4:1電信轉(zhuǎn)換器可應(yīng)付大多數(shù)標(biāo)稱(chēng)12V的輸入電壓,但只有專(zhuān)為汽車(chē)設(shè)計(jì)的DC/DC產(chǎn)品才能滿(mǎn)足所有12V(9-36V)的電壓變化。48V鋰電池的電壓范圍有更嚴(yán)格的限制,因此20-60V輸入的3:1模塊電源才適用于48V系統(tǒng)。汽車(chē)規(guī)格通常還包括反向電壓保護(hù)以及快速高壓瞬變抗擾度,因此在任何情況下通常都需要外部保護(hù)或?yàn)V波網(wǎng)絡(luò)。LV標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了各種壓降、緩慢變化的電壓條件以及頻率范圍為15Hz至200kHz、高達(dá)6V峰峰值的疊加交流電壓。而低功率轉(zhuǎn)換器已經(jīng)有集成可用的濾波和保護(hù)功能,可以為其他設(shè)備供電。
? 電磁兼容性(EMC)是汽車(chē)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素,而DC/DC轉(zhuǎn)換器為了效率采用開(kāi)關(guān)模式,成為潛在的干擾源。符合CISPR-25的排放限制是常見(jiàn)的要求,除了標(biāo)準(zhǔn)DC/DC模塊的內(nèi)置功能以外,通常還需要高頻濾波。轉(zhuǎn)換器還必須對(duì)規(guī)定的EMI傳導(dǎo)和輻射等級(jí)以及靜電放電具備足夠的抗擾性。制造商如RECOM是DC/DC轉(zhuǎn)換器和EMC的濾波專(zhuān)家,提供符合各種EMC標(biāo)準(zhǔn)的濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例和演示板。 汽車(chē)應(yīng)用的環(huán)境條件與其他領(lǐng)域大不相同,在某些情況下甚至可以比軍規(guī)苛刻,很大一部分成本可能會(huì)花在冷卻和防振裝置上。工業(yè)級(jí)DC/DC似乎最適合車(chē)用,工作溫度通常在-40°C至+85°C或更高。工業(yè)環(huán)境相對(duì)恒定,而車(chē)輛的不同區(qū)域的溫度會(huì)大幅變化,如在極寒的環(huán)境下啟動(dòng)后迅速?gòu)牧阆伦兊礁邷?,或太?yáng)底下的汽車(chē)在開(kāi)冷氣之后從高溫降到低溫。汽車(chē)的機(jī)械沖擊和振動(dòng)要求也很?chē)?yán)苛,工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不足以滿(mǎn)足要求。
? ?ISO 16750-3是機(jī)械沖擊、振動(dòng)和其他條件(包括碎石轟擊)的道路車(chē)輛標(biāo)準(zhǔn),嚴(yán)重級(jí)別因應(yīng)用不同而定。然而,該標(biāo)準(zhǔn)是以傳統(tǒng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和隨之產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)為基礎(chǔ),因此在某些方面可能不適用電動(dòng)汽車(chē)。標(biāo)準(zhǔn)定義從-40°C到應(yīng)用的最高環(huán)境溫度的范圍之內(nèi),在特定頻率下加速最高為200m/s2,機(jī)械沖擊適用所有的車(chē)輛類(lèi)型。但是商用車(chē)變速箱的最嚴(yán)重情況是它可能持續(xù)1ms高達(dá)50,000m/s2(5,100g)。
??電源轉(zhuǎn)換器的AEC-Q測(cè)試
??用于關(guān)鍵應(yīng)用(例如安全系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制)的功率轉(zhuǎn)換器通常是分立式設(shè)計(jì),嵌入在其他電子設(shè)備中并由獲得壓力測(cè)試認(rèn)證的器件組成??紤]使用DC/DC模塊的時(shí)候,轉(zhuǎn)換器通常需要進(jìn)行特定的設(shè)計(jì)和測(cè)試才能滿(mǎn)足汽車(chē)質(zhì)量、電氣、環(huán)境以及EMC的要求。汽車(chē)電子委員會(huì)[1]發(fā)布了電子應(yīng)力測(cè)試規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。AEC是由克萊斯勒、福特和德科電子于1990年代成立,制定了汽車(chē)業(yè)電子零件的質(zhì)量和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。AEC-Q采用了汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)(SAE)和IEC/ISO的標(biāo)準(zhǔn)以及符合IATF 16949:2016的質(zhì)量體系,為零件制造商制定了進(jìn)入汽車(chē)業(yè)的最低要求。RECOM R-78Q5.0-0.3的AEC-Q200測(cè)試計(jì)劃
??但是AEC-Q標(biāo)準(zhǔn)并不直接適用于DC/DC轉(zhuǎn)換器,因此制造商必須選擇最相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),通常是IC的AEC-Q100或無(wú)源元件的AEC-Q200(表1)。
??
?AEC-Q標(biāo)準(zhǔn)之器件應(yīng)力測(cè)試認(rèn)證規(guī)范
? ??無(wú)源組件AEC-Q200和附件001至007涵蓋了各種零件和測(cè)試方式。應(yīng)用是以溫度進(jìn)行了分級(jí)(表2)。請(qǐng)注意 0級(jí)零件的溫度為+150°C,比AEC-Q100制定的集成電路溫度高了10度。
??
??符合AEC-Q200認(rèn)證的器件溫度等級(jí)
??AEC-Q標(biāo)準(zhǔn)是由供應(yīng)商進(jìn)行自我認(rèn)證來(lái)證明其符合性,而非由測(cè)試機(jī)構(gòu)使用。而且這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各個(gè)階層的汽車(chē)客戶(hù)來(lái)說(shuō)是最基本的,因此可能針對(duì)特定應(yīng)用提出進(jìn)一步的器件認(rèn)證要求。盡管有許多的汽車(chē)專(zhuān)用測(cè)試,但AEC-Q還參考了其他標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方式,例如MIL-STD-883、JEDEC、JESD、IPC以及UL。 RECOM最近對(duì)多種車(chē)載DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了認(rèn)證。以R-78Q5.0-0.3為例,它是一種高效的非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器,具有6.5V至72V的超寬輸入范圍以及0.3A和5V輸出,適用于12V或24V鉛酸蓄電池。由于引腳與三端線(xiàn)性穩(wěn)壓器兼容,因此它也適合直接連接至中度混合電動(dòng)車(chē)的48V電池。極寬的11:1輸入電壓范圍可以節(jié)省輸入過(guò)壓鉗位器件的成本。
??熱沖擊循環(huán)是汽車(chē)應(yīng)力測(cè)試認(rèn)證的關(guān)鍵部分。RECOM使用的規(guī)格如圖3所示。R-78Q和RAQ最近成功完成了所需的1000次循環(huán)測(cè)試。表3列出了符合AEC-Q200的R-78Q完整測(cè)試計(jì)劃。
??
??RECOM R-78Q5.0-0.3的AEC-Q200測(cè)試計(jì)劃
??另一個(gè)汽車(chē)認(rèn)證的RECOM部件是RAQ-0505S/H(圖4),這是一款用于一般汽車(chē)的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器,5VDC輸入,以1W的功率提供未穩(wěn)壓的5V輸出,同時(shí)具有連續(xù)短路保護(hù)。該器件的典型應(yīng)用是給CAN總線(xiàn)提供隔離的5V電壓。 RAQ-0505S/H的AEC-Q測(cè)試條款與R-78Q類(lèi)似,包括了AEC-Q200和AEC-Q104的相關(guān)要求。后者是較新的標(biāo)準(zhǔn),于2017年9月發(fā)布,涵蓋了具備有源和無(wú)源組件的「多芯片」模塊,這些模塊將有源和無(wú)源器件組合到封裝中,回流焊接到印刷電路板上。
??
??RECOM RAQ-0505S/H汽車(chē)級(jí)DC/DC轉(zhuǎn)換器
? molex連接器SMT轉(zhuǎn)換器的隔離等級(jí)為5kVDC/1s(2.8kVAC/1min),爬電距離>4mm,可以連續(xù)承受輸入和輸出之間的高壓電池的電壓差。主要應(yīng)用是給電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的高壓側(cè)電流傳感器供電(圖5)。傳感器電路比系統(tǒng)接地高400V電池電壓,而且需要一個(gè)5V隔離電源。
??
??使用RAQ-0505S的高壓側(cè)電池電流傳感器
??RAQ-0505S/H可以在-40°C至+105°C的溫度范圍內(nèi)滿(mǎn)載工作,使用壽命、沖擊、振動(dòng)、電路板彎曲和熱循環(huán)(1000次)皆獲得了AEC-Q200設(shè)計(jì)驗(yàn)證。DC/DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)了IEC 60950-1的「基本」絕緣認(rèn)證,輻射符合CISPR-25第3級(jí)和EN55032標(biāo)準(zhǔn),并具備一個(gè)簡(jiǎn)單的外部濾波器。根據(jù)MIL-HDBK 217F,在25°C可靠性達(dá)到驚人的1170萬(wàn)小時(shí)。
??質(zhì)量要求-IATF16949:2016和PPAP
??進(jìn)入汽車(chē)市場(chǎng)的零部件供應(yīng)商應(yīng)持有國(guó)際汽車(chē)工作組的IATF 16949:2016標(biāo)準(zhǔn)所定義的質(zhì)量系統(tǒng)認(rèn)證。該標(biāo)準(zhǔn)是ISO 9001的延伸并以流程為導(dǎo)向,適用于整個(gè)組織,從管理領(lǐng)導(dǎo)到制造流程以及售后支持。認(rèn)證是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程,需要大量的文檔、內(nèi)部審核和外部評(píng)估,并且質(zhì)量管理系統(tǒng)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)證明合乎規(guī)定,然后再授予認(rèn)證。供應(yīng)商還必須維護(hù)生產(chǎn)管理程序(PPAP),該程序管控生產(chǎn)前、生產(chǎn)過(guò)程和生產(chǎn)后的設(shè)計(jì)和工藝。對(duì)于流程或生產(chǎn)變更,有五個(gè)提交等級(jí)要求供應(yīng)商采取不同的措施(表4)。在工業(yè)電源市場(chǎng)中,molex在連接器制造基地是獨(dú)一無(wú)二的,不僅擁有完整的IATF 16949:2016認(rèn)證,還以PPAP系統(tǒng)來(lái)管理汽車(chē)產(chǎn)品。
??
??其它汽車(chē)應(yīng)用的molex產(chǎn)品
? molex其他的系列產(chǎn)品也經(jīng)通過(guò)類(lèi)似汽車(chē)級(jí)器件的、高加速壽命(HALT)和生產(chǎn)測(cè)試,并由同一個(gè)汽車(chē)認(rèn)證的工廠生產(chǎn),因此這些高端工業(yè)級(jí)DC/DC模塊可以在車(chē)輛或充電站的控制和檢測(cè)中使用。舉例來(lái)說(shuō),RKE系列普遍應(yīng)用在CAN總線(xiàn)隔離器,RB-系列安裝在汽車(chē)漏電流檢測(cè)器的電路中,而RP-和RKE-部件則使用在車(chē)載充電器。
??寬輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器適合搭配具有濾波器的12V和48V汽車(chē)標(biāo)稱(chēng)電壓,例如16-36V或18-75V輸入的REC15E-Z,另外RAC系列的AC/DC轉(zhuǎn)換器是汽車(chē)充電器電路中的輔助電源。輸入范圍高達(dá)528VAC的RAC05-05SK/480是一個(gè)特別有用的器件,可以連接在三相充電器的各相之間為電路供電,電路檢測(cè)到車(chē)輛連接后會(huì)啟動(dòng)充電器。這樣就可以使用無(wú)零線(xiàn)連接的L1/L2/L3/PE電源。
??