48V解決12V系統的局限性
新結構由兩個獨立的分支組成。傳統的12V匯流排採用鉛酸電池來滿足車載娛樂系統、照明與車窗等常規負載；而新的48V系統可以支援更繁重的負載，如：起動機發電機組、空調壓縮機、主動底盤系統、電動增壓器、渦輪增壓器和回饋制動。
如圖1所示，雙向電源供應將12V系統和48V系統橋接起來。不僅減輕汽車的重量，同時也提高了燃料效率，減少二氧化碳排放。48V系統可減輕線束(Wiring Harness)的重量。電壓越高，線規越小，這樣可以在不犧牲性能的情況下縮小電線尺寸和重量；如今高級車輛的接線長度可達4公里以上。
與傳統的12V電池相同，48V鋰離子電池或超級電容器與雙向DC/DC轉換器能提供高達10kW的可用功率使雙電池系統更加完善。雙向電力傳輸需要在電池放電時給電池充電，並且在超載情況下為相反的電壓軌提供額外的電力。本文將討論12V/48V系統的要求，以及使用創新平均電流模式控制方案。該降壓/升壓控制器實現雙向能量轉換的所有控制電路，使系統明顯比傳統的離散式方案更為簡化。
LV 148標準規範
48V電池汽車系統的LV 148標準規定48V電源軌上的最大電壓必須達到70V且至少保持40ms。此外，在這種過載電壓情形中，系統必須保持正常運作，且不會產生任何性能損失。對於半導體供應商而言，這意味著連接到48V電源軌的所有電源都必須承受70V輸入電壓。然而汽車業者認為安全係數應該達到10%或更高；為了滿足這個期望，未受保護的48V電源軌上零組件的額定電壓應為100V。
對於從48V電源軌到12V電源軌的電力傳輸，可使用降壓轉換器；12V至48V的電源傳輸則可使用升壓轉換器。降壓和升壓拓撲結構在功率電子領域是眾所周知的，但設計兩個獨立的轉換器將占用電路板空間，並增加系統複雜性和成本。
設計工程師通常使用數位控制方案管理12V和48V雙電池系統，該方案包括多個分立元件，如電流檢測放大器、閘極驅動器和保護電路。德州儀器(TI)提供混合式架構，其中微控制器(MCU)處理更進階的智慧管理，而整合類比控制器(如LM5170-Q1)提供電源轉換功能。LM5170-Q1還可以在純類比功能中運用，並將MCU從迴路中移除。
LM5170-Q1可在雙48V和12V汽車電池系統之間高效傳輸每相500W以上的電力，並提供整合的電流檢測放大器和高電流閘極驅動器。系統保護功能包括整合斷路器和獨立的相電流監控，可避免使用額外的分立元件。並聯堆疊多個控制器可以提供千瓦的功率(圖2)，48V匯流排可為驅動各種系統提供10kW的功率。
平均電流模式控制方案在由方向輸入回應(DIR)，訊號指定的方向上調節在高壓埠和低壓埠之間流動的平均電流。將DIR設置為「1」時，電源從48V埠流向12V埠。將DIR設置為「0」時，電源從12V埠流向48V埠。DIR指令(DIR command)定義如何在降壓或升壓模式下控制Q1和Q2。
傳統的平均電流模式控制方案存在兩個挑戰：電流迴路傳遞功能隨工作電壓和電流條件而變異，且雙向操作需要兩個不同的迴路補償。在TI的LM5170-Q1中，雙向操作的傳輸功能相同。由於TI解決方案保持固定迴路增益，因此它允許單個電阻-電容(RC)網補償降壓和升壓轉換。
LM5170-Q1控制方案的優點，包括以下幾點：
高準確度：控制器的1%精確雙向電流調節確保精確的電力傳輸。
功率效率：LM5170-Q1能實現高於97%的系統效率。
高精密度：控制器具備99%的準確度監控電流。
高功率：整合的5A峰值半橋式閘極驅動器提供高功率能力。
卓越的性能：同步整流器金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的二極體模擬模式可防止負電流並提高輕負載效率。
汽車品質：LM5170-Q1獲汽車電子委員會(AEC)-Q100認證。表1列出了48V系統中需要考量的功能。
如圖3所示，簡化的應用電路展現LM5170-Q1的整合特性。
在LM5170-Q1控制器上，類比訊號或數位脈衝寬度調變(PWM)輸入規劃了電流調節層級。雙通道差分電流檢測放大器和專用通道電流監視器達成典型的1%精確度。5A半橋式閘極驅動器能夠驅動並聯MOSFET開關，提供每相500W或更高的功率。同步整流器的二極體模擬模式能防止負電流並提高輕負載期間的非連續模式操作的效率。保護功能的特色包括逐週期電流限制，高壓和低壓埠的過壓保護，MOSFET故障檢測和過熱保護。
功率層級與控制電路
48V-12V雙向轉換器操作的平均電流模式控制方案具有以下功率級：
．高側FET(Q1)
．低側FET(Q2)
．功率電感器(LM)
．電流檢測電阻(RCS)
．兩節電池：一節在高壓埠，一節在低壓埠。
控制電路包括：
．透過DIR指令(0或1)進行方向轉向且增益為50的電流檢測放大器。
．用作電流迴路誤差放大器的跨導放大器(Transconductance Amplifier)，在非反相針腳上施加參考訊號(ISET)以設置相位直流電流調節值。
．PWM比較器。
．與高壓埠電壓成比例的斜坡訊號。
．由DIR控制的轉向電路應用PWM訊號控制Q1或Q2作為主開關。
．COMP節點處的迴路補償網路。
48V-12V雙向轉換器通常必須具有高精確度的電流調節(優於3%)，以精密地控制從一個電池軌向另一個電池軌傳輸的電量。由於高功率，系統通常需要交錯並聯多相電路來共用總負載，且共用應在各個相位之間保持均衡。由於不能實現多相共用，所以電壓控制模式拓撲並不合適。
LM5170-Q1藉由同步多個控制器實現更多相位，並達成多相並聯運行。每個相位與相移時鐘同步。使用多相架構可減少零組件的物理尺寸，並使得熱管理更加容易。為了並聯每個功率相，在降壓或升壓模式操作中的控制方案是電流模式控制。多相操作還可使得每相交錯切換，以減少輸出波紋，以降低電磁干擾(EMI)。
最後，在使用兩節電池的情況下，在維護期間可拆卸一個或兩個汽車電池並重新連接。在重新連接期間，可能將電線連接到錯誤的電池接線頭，並損壞ECU中的元件。為避免這種類型的損壞需要反極性的保護。由於功率損耗高，無法使用蕭特基二極體。相反，LM5060-1-Q1高側斷路器控制器和n通道MOSFET降低了功耗。當與電源串聯時，LM5050-Q1與外部MOSFET一起作為二極體整流器工作。可以連接5V至75V的電源供應，並可承受高達100V的瞬態電壓。
滿足未來汽車電氣系統需求
LM5170 48V-12V雙向轉換器評估模組(EVM)旨在展示LM5170-Q1控制器。可以藉由外部指令訊號或板載跳線(Onboard Jumper)控制電流的方向。透過板載介面接頭，可以使用數位訊號處理器(DSP)、現場可編程陣列(FPGA)、MCU或其他數位控制器來操作EVM。
此外，12V/48V汽車系統的雙向DC/DC轉換器參考設計滿足12V/48V汽車系統的典型工作電壓要求。該系統使用兩個LM5170-Q1電流控制器和一個MCU進行功率級控制，為系統提供電壓回饋。TI的12V/48V解決方案採用創新的平均電流控制方案提供電流控制，消除了額外的相電流平衡電路。LM5170-Q1具備高度整合程度，可減少印刷電路板面積，簡化設計並加速開發。
