这里主要聊一聊
WEBENCH在汽车电源里面的应用。WEBENCH本身是适合汽车电子ECU和汽车功率电子辅助电源设计的。
在新能源汽车里面一般有以下的单元。
充电机:充电机一般有三块电路,逻辑控制电路、交流输入级和DC-DC;这三块都是要隔离的,只有逻辑控制电路需要同12V链接在一起,其整体架构可以通过单路的SBC来实现。
DC-DC:也是前后两级,高压级和低压级。高压级的控制,需要隔离,后面的12V,也可以用SBC。
BMS:BMS分子单元和主单元;子单元的电压轨道需要隔离;主单元一般有3~4路CAN,与子单元通信,与VCU通信还有诊断通路。
逆变器:逆变器的主要由控制逻辑电路、驱动电路和功率部分所组成的,电源设计的难点主要是在驱动电路的多路电源供给。
本文主要针对车载充电机部分进行展开。
第一部分车载充电机
比如我们拿出一个典型的新能源
汽车充电机的整体规格来看:
图1 典型的新能源汽车车载充电机
在WEBENCH里面的实测结果如下:
图2 WEBENCH的主体结果
那这个工具如何能帮到我们的工程师呢?这里我们就重点来对整个设计进行分解,一般的车载充电机可以分为:
LLC
全桥
正激
其主体部分是高压对高压,对WEBENCH的要求比较高。
图3典型充电机主拓扑
而我们整体勾勒出整个充电机的系统架构可以看出:
主控电源的供给电路(非隔离电源)
充电机整个偏置电路的供给(隔离电源)
图4 典型的新能源汽车车载充电机
第二部分 辅助电源设计
2.1 先来谈汽车电子里面主控电源的供给电路:
电源设计是需要单独进行考虑的,主要考虑的问题如下:
模块电源分配:确认其他电路模块需要的电压和电流
模块电源保护:涉及三方面内容,反接保护电路、瞬态抑制电路和静电防护。
模块电源的管理策略:主要包含电压幅度管理策略、静电电流管理和睡眠唤醒策略三方面内容
低功率LDO设计:为逻辑电源、测量电路和传感器设计稳压电源高功率DC-DC电源设计:为功率需求较大的电路部分设计稳压电源,我们这里首先考虑使用DCDC的电源设计方法
图5 汽车电子主控电源设计概览
我们往常的设计流程为:
草案设计,使用Matchad或者Excel将所有的参数进行罗列和计算,将所有的器件设计参数导入至输入级
仿真和最坏情况分析用Mathcad进行初步计算,然后使用Saber做细节仿真
实测常温下和各种输入状态下的情况
环境实验、EMC实验摸底
可靠性试验定性测试
在电源设计中,首要的是确认电源的设计指标,器件选型:对于器件选型还需要可靠性知识和按照器件的降额标准,关键元器件IC 、L、C、D,R选择、评估与计算;
A.电源IC选型:最主要的三个参数是:输入电压、输出电压及最大输出电流。据产品的工作电流来选择:较合适的是工作电流最大值为电源IC最大输出电流的70~90%。
B.电感选型:这里需要考虑的参数主要有,电感量,DCR(频率高的还要考虑ACR),饱和电流Isat有效电流Irms
电感量L:导致DC-DC效率降低,相应的电感成本也会增加。L越大,储能能力越强,纹波越小,所需的滤波电容也就小,L越大,通常要求电感尺寸也会变大,DCR增加。
根据电感的精度,计算出有一定裕量的电感值例如:对于20%精度的电感,考虑到5%的设计裕量。则DC-DC所需的电感为L=1.25*Lmin
确定我们所需的电感为比计算出的电感L稍大的标称电感
C.电容选型:设计考虑参数为:电容值、容差、耐压、ESR、使用温度、尺寸、材质、直流偏置效应、漏电流; 商务考虑因素:价格、供货
输入电容计算:虽然不及CL 对输出稳定性的影响大,但CIN 也是电容值越大、ESR 越小则输出稳定性越好,纹波也越小。大到某种程度,降低输出纹波的效果会变小, 从防止对输入侧的电磁干扰的意义上说,电容值应从CL 的一半左右。虽然是一般不常进行确认的数据,但对降低EMI 是很重要的数据。CIN 不会因ESR太小而输出振荡,所以尽量使用低ESR 电容。
输出电容计算:Cin=I load(Max)*D*(1-D)/Fs*(Delta_Vin-Iload(Max))*ESR.CIN;CL 越大则纹波越小,但过分大的话,电容器的形状也大,成本提高。CL 由所需的纹波大小而定。
D.二极管选型:IF正向电流要大,VF正向压降要小,反向回复时间快;首选肖特基二极管,额定电流必须大于电路峰值电流选取。SBD有关绝对最大额定值,根据与FET同样的理由,应选择相对于使用条件的1.5 倍~2 倍左右的产品。SBD 的损失为正向热损失VF×IF 和反向漏电流IR 引起的热损失的合计值。
2.2WEBECN设计过程
在WEBENCH的设计过程,主要把之前的控制点先完成了。
WEBENCH汽车设计工具:
点击查看基本的设计过程
2.2.1线性的电源
这里只有一个方案,有成本等需求
在优化过程中,可以选取上面的工具栏,获取一些动态特性的结果,比如启动过程
这个工具可以做以下的事情:
A) 确定不同工作状态下的温度和工作点:
a. 16V状态下的温升
b. 9V
B) 时序特性
a. 确定上电时序
b. 输入特性曲线(9=)16V)
c. 负载特性曲线(0.3A=)0.03A)
通常我们给充电机配置主电源为线性电源,在上述方案下优化下即可,加入保护设计电路。
2.2.2 Buck电源
如果我们考虑会继续加大,特别是通信方面考虑CAN的时候,电流会更大一些到0.5A的时候,成本考虑2美金。
我们可以在可视化的图像中看到以下的情况:
以效率和体积的考虑,工具给了一个优选的设计方案,为绿色的
可以根据这个方案来进行设计考虑
这里基本集成了上述的设计考虑过程,得到了以下的外围电路的参数。
也可以进一步进行一些优化,这里同时也给出了成本和管脚大小。
同样可以观测整个启动的时序
这里比较有趣的还可以做一些初步的热仿真,如下所示:
这个工具,可以给我们带来比较简单的设计和考虑的分析结果,可以做初步的仿真设计。不过似乎这里没办法设计隔离电源,对多路输出的设置有些困难。
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