隨著電子系統(tǒng)取代手動和機動組件，電力將為先進的油電混合動力汽車 (HEV) 和電動汽車 (EV) 提供更多動力，同時減少 CO₂ 排放。鑒于所有這些趨勢，未來的駕駛必將與現(xiàn)在大不相同。除了與其他汽車進行通信之外，減排的混合動力汽車和自動駕駛的零排放電動汽車還需要在汽車各個系統(tǒng)內部進行通信，以及與城市和道路基礎設施進行通信。Texas Instruments (TI) 的白皮書“Driving the Green Revolution in Transportation”（推動交通運輸領域的綠色革命）中進一步詳細探討了混合動力汽車和電動汽車的優(yōu)勢。

以下幾大主要因素極大推動了消費者對混合動力汽車和電動汽車的需求：

• 內燃機的環(huán)境法規(guī)壓力
• 電力傳動系統(tǒng)和電池技術的進步
• 消費者對便利性和信息娛樂功能的期待

但是，這些創(chuàng)新技術的功率負載要求日益提高，超出了傳統(tǒng)的 12 V 鉛酸電池的容量限制，從而成為一大制約因素。汽車行業(yè)推出了一種解決方案，旨在滿足持續(xù)增長的電氣化需求。他們開發(fā)了 48 V 輔助電氣系統(tǒng)，提供比傳統(tǒng) 12 V 電池更多的電能。但是，出于安全和絕緣控制的目的，這些高電壓系統(tǒng)需要廣泛的隔離，以保護駕駛員和乘客的安全，防止遭到電擊，并且要避免系統(tǒng)安全故障。

為了幫助克服這些設計挑戰(zhàn)，打造更安全高效的交通運輸系統(tǒng)，TI 提供了眾多解決方案和設計輔助工具。下面我們將介紹一些此類零件和參考設計選擇。

TIDA – Texas Instruments 參考設計

TIDA-03040 – 基于分流器的汽車級 ±500 A 精密電流檢測參考設計：TI 這種基于分流器的電流傳感器參考設計（圖 1）提供小于 0.2% 的 FSR 精度，工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。很多汽車應用都需要精密電流檢測，包括電池管理系統(tǒng)、電機電流等。這些關鍵應用的精度不佳，通常是因非線性、溫度漂移和分流器容差而導致。此設計通過使用 TI 的分流監(jiān)視器 (INA240) 和信號調節(jié)器 (PGA400-Q1) 解決了這些問題。

圖 1：Texas Instruments 的 TIDA-03040 參考設計方框圖，適用于基于分流器的汽車級 ±500 A 精密電流傳感器。（圖片來源：Texas Instruments）

TIDA-03050 - mA-kA 范圍的汽車級分流傳感器參考設計：在此參考設計中，我們使用母線類型的分流電阻器，來檢測 mA 至 KA 范圍的電流。電動和混動汽車對高容量電池的需求持續(xù)增長，這迫使我們擴大工作電流范圍，采用高度精確的電流傳感器來滿足監(jiān)控需求。由于存在大量的系統(tǒng)噪聲，精確測量三個不同量級（mA 至 A、1 A 至 100 A、100 A 至 1,000 A）的電流成為一大嚴峻挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，此設計使用了 TI 高分辨率模數(shù)轉換器 (ADC) 和高精度分流監(jiān)視器。

TIDA-01604 - 用于 HEV/EV 車載充電器的 98.6% 能效、6.6-kW 圖騰柱 PFC 參考設計：此參考設計（圖 2）的基礎是碳化硅 (SiC) MOSFET，由帶有 SiC 隔離式柵極驅動器的 C2000 MCU 所驅動。此設計實現(xiàn)了三相交錯，在連續(xù)導通模式 (CCM) 下工作，在 240 V 輸入和 6.6 kW 全功率下，能效達到 98.46%。由于 C2000 MCU 實現(xiàn)了切相和自適應空載時間控制，因而改善了輕負載功率因數(shù)。柵極驅動器板（請參見下文討論的 TIDA-01605）可以提供 4 A 拉電流和 6 A 峰值灌電流，同時實現(xiàn)增強的隔離和耐受力，具有 100 V/ns 以上的共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)。該柵極驅動器板還包含兩級斷開電路，如果發(fā)生短路情況，可以防止 MOSFET 出現(xiàn)電壓過沖。

圖 2：Texas Instruments 用于 HEV/EV 車載充電器的 TIDA-01604 參考設計（圖片來源：Texas Instruments）

TIDA-01605 - 提供兩級斷開保護的汽車級雙通道 SiC MOSFET 柵極驅動器參考設計：這種 TI 參考設計采用了汽車級隔離式柵極驅動器解決方案，用于驅動半橋配置的 SiC MOSFET。此設計包括兩個用于雙通道隔離式柵極驅動器的推挽偏置電源，每個電源能夠提供 +15 V 和 -4 V 輸出電壓以及 1 W 輸出功率。如上文所述，此柵極驅動器能夠提供 4 A 拉電流和 6 A 峰值灌電流。它的增強隔離能夠耐受 8 kV 峰值電壓和 5.7 kV RMS 隔離電壓，且 CMTI 大于 100 V/ns。同樣如上文所述，此板還包含兩級斷開電路，如果發(fā)生短路情況，可以防止 MOSFET 出現(xiàn)電壓過沖。此設計的第二級斷開具有可配置的 DESAT 檢測閾值和延遲時間。為了連接故障和復位信號，我們使用了 ISO7721-Q1 數(shù)字隔離器?？傮w而言，此參考設計適用于 40 × 40 mm 緊湊外形的雙層印刷電路板 (PCB)。

TIDA-01168 - 用于 12 V/48 V 汽車系統(tǒng)的雙向 DC-DC 轉換器參考設計：此參考設計作為 12 V/48 V 汽車系統(tǒng)的 4 相雙向 DC-DC 轉換器開發(fā)平臺。該系統(tǒng)使用一個 TMS320F28027F MCU 和兩個 LM5170-Q1 電流控制器，用于功率級控制。C2000 MCU 提供電壓反饋，而 LM5170-Q1 子系統(tǒng)則使用平均電流反饋來進行電流控制。使用這種控制方案時，無需多相轉換器通常需要的相電流平衡?；?LM5170-Q1 的系統(tǒng)可以實現(xiàn)高集成度，減小占用的 PCB 面積，簡化設計，加快開發(fā)速度。

產品

ISO7731-Q1：ISO773x-Q1 器件系列屬高性能三通道數(shù)字隔離器，額定隔離電壓達到 5,000 VRMS（DW 封裝）和 3000 VRMS（DBQ 封裝），符合 UL 1577 標準要求。該系列具有符合 CQC、CSA、TUV 和 VDE 標準的增強隔離等級。這些器件在低功耗條件下具有很高的抗電磁干擾能力及低輻射性能，可隔離 CMOS 或 LVCMOS 數(shù)字 I/O。在每個隔離通道中，通過二氧化硅 (SiO₂) 絕緣柵將邏輯輸入和輸出緩沖器隔離。器件的使能引腳可用于將相應輸出置于高阻抗水平，因而能夠用于多主控驅動應用并降低功耗。ISO7730-Q1 器件的所有三個通道處于相同方向，ISO7731-Q1 器件則具有兩個正向通道和一個反向通道。如果出現(xiàn)輸入功率或信號損失，則后綴為“F”的器件默認輸出為低電平，后綴沒有“F”的器件則默認輸出為高電平。

UCC21520-Q1：該器件為隔離式雙通道柵極驅動器（圖 3）。它提供 4 A 拉電流和 6 A 峰值灌電流。該器件設計用于驅動高達 5 MHz 的功率 MOSFET、SiC MOSFET 和 IGBT，具有低傳播延遲和脈寬失真。輸入端和兩個輸出驅動器由 5.7 kVRMS 增強型隔離柵隔離，最小 CMTI 為 100 V/ns。兩個次級側驅動器之間具有內部功能性隔離能力，可支持高達 1500 VDC 的工作電壓。該器件的設計允許將每個驅動器配置為兩個低壓側驅動器、兩個高壓側驅動器或一個空載時間 (DT) 可編程的半橋驅動器。兩個輸出均可通過禁用引腳同時關閉，因而在開路或接地時，可以正常工作。作為一種故障安全措施，初級側邏輯故障會迫使兩個輸出保持低電平。

圖 3：Texas Instruments 的 UCC21520-Q1 隔離式雙通道柵極驅動器功能框圖。（圖片來源：Texas Instruments）

UCC21222-Q1：這種隔離式雙通道柵極驅動器具有可編程的空載時間和寬溫度范圍，能在極端溫度條件下保持一致的性能和耐用性。它提供 4 A 峰值拉電流和 6 A 峰值灌電流，設計用于驅動功率 MOSFET、IGBT 和 GaN 晶體管。UCC21222-Q1 提供多種配置：兩個低壓側驅動器、兩個高壓側驅動器或一個半橋驅動器。5 ns 延時匹配性能可允許并行提供兩個輸出，從而在高負載條件下將驅動強度增加一倍，而不會產生內部擊穿風險。兩個輸出驅動器通過 3.0 kVRMS 隔離柵與輸入端隔離，最小 CMTI 為 100 V/ns。

LM5170-Q1：LM5170-Q1 控制器為 48 V 和 12 V 雙電池汽車系統(tǒng)的雙通道雙向轉換器提供了必要的高電壓、高精度元件。為此，該器件按照 DIR 輸入信號指定的方向，來調節(jié)高壓和低壓端口之間的平均電流。電流調節(jié)水平通過模擬或數(shù)字 PWM 輸入設定。雙通道差分電流檢測放大器和專用通道電流監(jiān)控器實現(xiàn)了 1% 的典型電流精度。5 A 半橋柵極驅動器能夠驅動每個通道功率不低于 500 W 的并聯(lián) MOSFET 開關。此外，同步整流器的二極管仿真模式不僅可避免出現(xiàn)負電流，而且還支持通過非連續(xù)工作模式提高輕載效率。該器件集成了眾多保護功能，包括 MOSFET 故障檢測、高電壓和低電壓端口過壓保護、逐周期電流限制和超溫保護。

INA301-Q1：該器件同時包括了高共模電流檢測放大器和高速比較器，旨在提供過流保護。其實現(xiàn)方法是測量電流檢測或分流電阻器兩端的電壓，并將其與定義的閾值限制相比較。INA301-Q1 具有可調限制閾值范圍，該范圍可利用單個外部限值設定電阻器來進行設置。該分流監(jiān)控器可測量共模電壓下的差分電壓信號，其中共模電壓可在 0 V 至 36 V 之間變化并獨立于供電電壓。開漏警報輸出可選擇進行配置，以運行在輸出狀態(tài)與輸入狀態(tài)保持一致的透明模式下，或者運行在閉鎖重置時清除警報輸出的閉鎖模式下。器件警報響應時間不足 1 μs 時，將會啟動快速過流事件檢測。

INA240-Q1：汽車級 INA240-Q1 是一款電壓輸出、電流檢測放大器，帶有增強 PWM 抑制。它能夠在 -4 V 至 80 V 的寬共模電壓范圍內，檢測分流電阻器兩端的壓降，且不受供電電壓影響。負共模電壓的優(yōu)點是：它允許器件的工作電壓低于接地電壓，從而可適應典型螺線管應用的反激周期。該器件的增強 PWM 抑制功能可為使用 PWM 信號的系統(tǒng)（包括電機驅動和螺線管控制系統(tǒng)）中的較大共模瞬變 (ΔV/Δt) 進行高水平的抑制。該功能可確保精確測量電流，而不會使輸出電壓產生較大的瞬變及相應的恢復紋波。INA240-Q1 采用 2.7 V 至 5.5 V 的單電源供電，最大電流消耗為 2.4 mA。當前有四種固定增益可用：20 V/V、50 V/V、100 V/V 和 200 V/V。該器件的低偏移、零飄移架構能夠以低至 10 mV（滿量程）的最大分流器壓降實現(xiàn)電流檢測。1 級版本采用 8 引腳 TSSOP 封裝和 8 引腳 SOIC 封裝，在 -40°C 至 +125°C 的擴展溫度范圍內工作。0 級版本僅采用 8 引腳 SOIC 封裝，在 -40°C 至 +150°C 的擴展溫度范圍內工作。

AMC1305M05-Q1：這是一款精密三角積分 (ΔΣ) 調制器，通過一個高度抗電磁干擾的電容式雙隔離柵將輸出與輸入電路分開（圖 4）。隔離柵符合 DIN V VDE V 0884-10、UL1577 和 CSA 標準，能夠提供高達 7,000 V 峰值的增強隔離。AMC1305M05-Q1 配合隔離式電源使用時，能夠防止高共模電壓線路上的噪聲電流進入本地系統(tǒng)接地，避免干擾或損壞低壓電路。該器件經過優(yōu)化，可以直接連接分流電阻器或其它低電壓電平信號源，同時支持出色的 AC 和 DC 性能。通常，分流電阻器可在車載充電器、牽引逆變器或其他此類汽車應用中檢測電流。通過使用適當?shù)臄?shù)字濾波器（例如集成在 TMS320F2837x 上的濾波器）來抽取十分之一位流，該器件可在 78 kSPS 數(shù)據(jù)速率下達到 16 位分辨率，動態(tài)范圍達 85 dB (13.8 ENOB)。

圖 4：Texas Instruments 的 AMC1305M05-Q1 精密三角積分 (ΔΣ) 調制器簡化原理圖。（圖片來源：Texas Instruments）

TMS320F28069M：汽車級 F2806x Piccolo 系列 MCU 具有 C28x 內核和 CLA 的強大性能，同時這些低引腳數(shù)器件還帶有高度集成的控制外設。這些器件兼容以前的基于 C28x 的代碼，并擁有更高的模擬集成度。其他特性還包括內部穩(wěn)壓器和對 HRPWM 模塊的增強，前者用于單電源操作，后者用于雙邊沿控制（頻率調制）。此外，還添加了內置 10 位基準的模擬比較器，可直接連接，以控制 ePWM 輸出。該 ADC 具有實現(xiàn)低開銷和低延遲的優(yōu)化接口，可在 0 至 3.3 V 固定滿量程范圍內轉換，并支持比率計 VREFHI/VREFLO 基準。

ISO1042-Q1：這是一款電位隔離型控制器局域網 (CAN) 收發(fā)器，規(guī)格符合 ISO11898-2 (2016) 標準。ISO1042-Q1 提供 ±70 VDC 的總線故障保護能力，共模電壓范圍為 ±30 V。它在 CAN FD 模式下支持高達 5 Mbps 的數(shù)據(jù)速率，與傳統(tǒng) CAN 相比，可實現(xiàn)更快速的有效載荷傳輸。該器件中帶有一個 SiO2 絕緣柵，可耐受 5,000 VRMS 的電壓，工作電壓達 1,060 VRMS。ISO1042-Q1 的電磁兼容性得到了顯著增強，可提供系統(tǒng)級 ESD、EFT 和浪涌保護并符合輻射標準。配合隔離式電源使用時，該器件能夠幫助防止高電壓和噪聲電流從總線進入本地接地。ISO1042-Q1 同時適用于基本型和增強型隔離應用，支持從 -40°C 到 +125°C 的寬環(huán)境溫度范圍。該器件采用兩種封裝尺寸，即 SOIC-16 (DW) 封裝和較小的 SOIC-8 (DWV) 封裝。

總結

汽車行業(yè)的未來一片光明。但是，在環(huán)保法規(guī)和消費者需求的推動下，汽車需增加更多功能，因而汽車設計也將變得更加復雜。為幫助支持這些功能，Texas Instruments 現(xiàn)在提供眾多參考設計和產品，這有助于縮短設計時間，更快向消費者推出這些未來汽車設計。