ST - 如何治愈电动单车续航焦虑？DC/DC转换器技术有良方

    气候变暖、自然资源稀缺和污染是全世界都在面临的日益严重的环境问题。电动单车是一种可以替代传统内燃机汽车的绿色节能工具，是缓解环境问题的解决方案之一。中国是的电动单车市场，销量由 2017 年的 3050 万辆增长至 2021 年的 4980 万辆，复合年增长率为 13.0%，并在 2021 年占据总销量的 75.9%。
    直流-直流(DC/DC)转换器是一种直流(DC)电源变压电路。在不同的电动车电源配置中，连接电池和直流输电线至少需用一个DC/DC转换器。通过临时存储输入电能，然后在不同电压的输出端释放电能，DC/DC转换器可以改变直流电压值，从某一个电压值变为另一个不同的数值。储能器件不是磁场型储能器件(电感器、变压器)就是电场型储能器件(电容器)。通过调整占空比(开关管的通/断时间比值)可以控制输入和输出之间的功率流。这样做是为了控制输出电压、输入电流、输出电流或保持恒定功率。在电动车上，该转换器主要用于供给辅助负载设备，例如喇叭、LED灯和其他外围设备。
    ST先进DC/DC转换器为电动单车发展赋能
    想缓解电动车用户的续航里程焦虑，使用DC/DC转换器是一个理想的解决方案。意法半导体推出了新一代高集成度DC/DC转换控制器L3751，提升了分立功率器件的开关性能。意法半导体的控制器芯片利用高性能栅极驱动器，控制MOSFET的高速开关操作，降低储能元器件的尺寸和射电辐射量。

    L3751是一款工作电压范围6V至75V的通用DC/DC同步转换控制器，应用范围非常广泛。新产品可以节省应用电路的外部元器件，简化开发过程，同时缩减PCB尺寸。L3751 具有40 纳秒的短导通时间，在100 kHz - 1 MHz开关频率范围内具有极高的电压转换比。该控制器采用脉冲跳跃模式，在轻负载时，可限度地提高能效，有效控制输出电压纹波。强制 PWM (FPWM) 模式在负载范围内可以保持开关频率恒定，并限度地减少输出电压纹波。片上集成的栅极驱动器可以限度地减少外部组件的数量，并且专为标准 VTH MOSFET优化设计。为了确保电动单车等关键应用的安全，控制器内置全面的安全保护功能，包括输出过流保护、输入电压 UVLO保护、内部电压监控、热关断。

    图 1：典型应用电路原理图                                                               

     图 2：简化框图

    L3751功能描述
    L3751是一款基于恒定频率电压控制式架构的原生降压转换控制器。该芯片将反馈引脚(FB)检测的输出电压VOUT与内部参考电压(0.8V)比较，然后在COMP 引脚上提供误差信号，根据COMP电压值与内部可编程频率锯齿波的比较结果，控制外部功率开关管的导通时间。如图 2 所示，内部主要模块包括：
     稳压器 : 为内部电路供电，提供内部固定参考电压。该模块还实现了电压监测电路 (UVLO)，用于监测输入电压和内部电压；
     集成外部 N 沟道 MOSFET的驱动器和自举电容电路：为高边开关驱动器供电
    集成锯齿波生成电路：根据内部可编程振荡器或输入同步信号调节占空比；为改善控制器对线路电压瞬变的响应性能，实现了输入电压前馈电路
     电压模式误差放大器
     PWM 比较器和相关模拟和数字电路：用于控制内部 MOSFET的驱动器
     软启动电路和参考电压钳位器：用于在启动阶段限制浪涌电流
     可调节的无传感器或精准谷流限制感测模块和打嗝电路；处理过载和短路情况
     防止热失控的热关断电路
     输出电压监控电路：如果输出电压测量值在目标值的87%以上，就会发送PGOOD 电源良好信号。
    控制器的二极管仿真模式(DEM)可提高在轻负载时的应用能效。在轻负载时，DEM模式以 DCM 和脉冲跳跃方式运行，限度地提高轻负载能效，并控制输出电压纹波，以限度地减少转换损耗。在负载范围内的强制 PWM (FPWM) 模式可以保持开关频率恒定，并限度地减少输出电压纹波，建议在传感器或模拟电路的电源等低噪声应用中使用DEM模式。
    参考设计

    意法半导体为用户提供基于L3751的参考设计，如图 3 所示，适用于输入电压 36-72V DC、输出电压12 VDC、10A 的 DC-DC 转换器。

    图 3：L3751直流转换器参考方案                                  图 4：参考板原理图
    电路描述
    输入级组件包括组成PI 网络的大容量电容器、滤波电路(C4、C5 和 L1)，以减轻高频开关操作引起的高频射电辐射。输入直流总线电压连接控制器的VIN引脚(引脚20)，在路径中有串联电阻。VIN为控制器内部电路供电，同时供给内部LDO稳压器，以产生 7.5V的Vcc 输出电压。VIN还是内部栅极驱动器的电源。在引脚 20上需要连接一个小的MLCC 电容。通过输入分压电路在使能引脚(引脚 1)上施加偏压，以便在 40V时启用控制器，避免电池深度放电。一旦EN/UVLO引脚电压超过1.2 V 典型值，软启动阶段就会开始，SS/TRK 引脚电压上升，控制器启动。为了在40V输入电压时控制器能够运行，电阻器 R1 和 R6的阻值分别选择100K 和 4.7K。为确保控制回路稳定，并不受电容器类型的影响，控制器实现了 III 型补偿器，为开发者提供了两个零点和三个极点，确保相位裕度足以提高阶跃负载的性能。
    性能和测试结果

    我们在各种负载条件下测试了电路板，并得到了能效和性能测试结果。

    图5：输入电压对能效和负载变化
    结语
    在中国，来自政策端、技术端、市场端、需求端的新变革一起助推电动单车行业加速发展。中国日均两轮出行次数超过10亿，电动单车是80%国民出行的选择。据5G物联网产业联盟数据，预计中国电动自行车市场规模2021年增量市场将达6000万辆。而高效的DC/DC转换器等新技术可帮助电动车电子系统满足更小、更高效、性能更好的需求，从而推动市场发展。