氣候變暖,、自然資源稀缺和污染是全世界都在面臨的日益嚴重的環(huán)境問題。電動單車是一種可以替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的綠色節(jié)能工具,，是緩解環(huán)境問題的解決方案之一,。中國是全球最大的電動單車市場，銷量由 2017 年的 3050 萬輛增長至 2021 年的 4980 萬輛,，復合年增長率為 13.0%,，并在 2021 年占據(jù)全球總銷量的 75.9%。

　　直流-直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器是一種直流（DC）電源變壓電路,。在不同的電動車電源配置中,，連接電池和直流輸電線至少需用一個DC/DC轉(zhuǎn)換器。通過臨時存儲輸入電能,，然后在不同電壓的輸出端釋放電能,，DC/DC轉(zhuǎn)換器可以改變直流電壓值，從某一個電壓值變?yōu)榱硪粋€不同的數(shù)值,。儲能器件不是磁場型儲能器件（電感器,、變壓器）就是電場型儲能器件（電容器）。通過調(diào)整占空比（開關管的通/斷時間比值）可以控制輸入和輸出之間的功率流,。這樣做是為了控制輸出電壓,、輸入電流,、輸出電流或保持恒定功率。在電動車上,，該轉(zhuǎn)換器主要用于供給輔助負載設備,，例如喇叭、LED燈和其他外圍設備,。

　　ST先進DC/DC轉(zhuǎn)換器為電動單車發(fā)展賦能

　　想緩解電動車用戶的續(xù)航里程焦慮,，使用DC/DC轉(zhuǎn)換器是一個理想的解決方案。意法半導體推出了新一代高集成度DC/DC轉(zhuǎn)換控制器L3751,，提升了分立功率器件的開關性能,。意法半導體的控制器芯片利用高性能柵極驅(qū)動器,，控制MOSFET的高速開關操作,，降低儲能元器件的尺寸和射電輻射量。

　　L3751是一款工作電壓范圍6V至75V的通用DC/DC同步轉(zhuǎn)換控制器,，應用范圍非常廣泛,。新產(chǎn)品可以節(jié)省應用電路的外部元器件，簡化開發(fā)過程,，同時縮減PCB尺寸,。L3751 具有40 納秒的最短導通時間，在100 kHz - 1 MHz開關頻率范圍內(nèi)具有極高的電壓轉(zhuǎn)換比,。該控制器采用脈沖跳躍模式,，在輕負載時，可最大限度地提高能效,，有效控制輸出電壓紋波,。強制 PWM （FPWM） 模式在負載范圍內(nèi)可以保持開關頻率恒定，并最大限度地減少輸出電壓紋波,。片上集成的柵極驅(qū)動器可以最大限度地減少外部組件的數(shù)量,，并且專為標準 VTH MOSFET優(yōu)化設計。為了確保電動單車等關鍵應用的安全,，控制器內(nèi)置全面的安全保護功能,，包括輸出過流保護、輸入電壓 UVLO保護,、內(nèi)部電壓監(jiān)控,、熱關斷。

圖 1：典型應用電路原理圖

圖 2：簡化框圖

　　L3751功能描述

　　L3751是一款基于恒定頻率電壓控制式架構(gòu)的原生降壓轉(zhuǎn)換控制器,。該芯片將反饋引腳（FB）檢測的輸出電壓VOUT與內(nèi)部參考電壓（0.8V）比較,，然后在COMP 引腳上提供誤差信號，最后根據(jù)COMP電壓值與內(nèi)部可編程頻率鋸齒波的比較結(jié)果,，控制外部功率開關管的導通時間,。如圖 2 所示,，內(nèi)部主要模塊包括：

•  穩(wěn)壓器： 為內(nèi)部電路供電，提供內(nèi)部固定參考電壓,。該模塊還實現(xiàn)了電壓監(jiān)測電路 （UVLO）,，用于監(jiān)測輸入電壓和內(nèi)部電壓；

• 集成外部 N 溝道 MOSFET的驅(qū)動器和自舉電容電路：為高邊開關驅(qū)動器供電

• 集成鋸齒波生成電路：根據(jù)內(nèi)部可編程振蕩器或輸入同步信號調(diào)節(jié)占空比,；為改善控制器對線路電壓瞬變的響應性能,，實現(xiàn)了輸入電壓前饋電路

•  電壓模式誤差放大器

• PWM 比較器和相關模擬和數(shù)字電路：用于控制內(nèi)部 MOSFET的驅(qū)動器

•  軟啟動電路和參考電壓鉗位器：用于在啟動階段限制浪涌電流

• 可調(diào)節(jié)的無傳感器或精準谷流限制感測模塊和打嗝電路；處理過載和短路情況

• 防止熱失控的熱關斷電路

• 輸出電壓監(jiān)控電路：如果輸出電壓測量值在目標值的87%以上,，就會發(fā)送PGOOD 電源良好信號,。

　　控制器的二極管仿真模式（DEM）可提高在輕負載時的應用能效。在輕負載時,，DEM模式以 DCM 和脈沖跳躍方式運行,，最大限度地提高輕負載能效，并控制輸出電壓紋波,，以最大限度地減少轉(zhuǎn)換損耗,。在負載范圍內(nèi)的強制 PWM （FPWM） 模式可以保持開關頻率恒定，并最大限度地減少輸出電壓紋波,，建議在傳感器或模擬電路的電源等低噪聲應用中使用DEM模式,。

　　參考設計

　　意法半導體為用戶提供基于L3751的參考設計，如圖 3 所示,，適用于輸入電壓 36-72V DC,、輸出電壓12 VDC、10A 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器,。

　　圖 3：L3751直流轉(zhuǎn)換器參考方案          

圖 4：參考板原理圖

• 電路描述

　　輸入級組件包括組成PI 網(wǎng)絡的大容量電容器,、濾波電路（C4、C5 和 L1）,，以減輕高頻開關操作引起的高頻射電輻射,。輸入直流總線電壓連接控制器的VIN引腳（引腳20），在路徑中有串聯(lián)電阻,。VIN為控制器內(nèi)部電路供電,，同時供給內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器，以產(chǎn)生 7.5V的Vcc 輸出電壓,。VIN還是內(nèi)部柵極驅(qū)動器的電源,。在引腳 20上需要連接一個小的MLCC 電容。通過輸入分壓電路在使能引腳（引腳 1）上施加偏壓,，以便在 40V時啟用控制器,，避免電池深度放電。一旦EN/UVLO引腳電壓超過1.2 V 典型值,，軟啟動階段就會開始,，SS/TRK 引腳電壓上升,，控制器啟動。為了在40V最小輸入電壓時控制器能夠運行,，電阻器 R1 和 R6的阻值分別選擇100K 和 4.7K,。為確保控制回路絕對穩(wěn)定,，并不受電容器類型的影響,，控制器實現(xiàn)了 III 型補償器，為開發(fā)者提供了兩個零點和三個極點,，確保相位裕度足以提高階躍負載的性能,。

• 性能和測試結(jié)果

　　我們在各種負載條件下測試了電路板，并得到了能效和性能測試結(jié)果,。

　　圖5：輸入電壓對能效和負載變化

　　結(jié)語

　　在中國,，來自政策端、技術(shù)端,、市場端,、需求端的新變革一起助推電動單車行業(yè)加速發(fā)展,。中國日均兩輪出行次數(shù)超過10億,，電動單車是80%國民出行的選擇。據(jù)5G物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù),，預計中國電動自行車市場規(guī)模2021年增量市場將達6000萬輛,。而高效的DC/DC轉(zhuǎn)換器等新技術(shù)可幫助電動車電子系統(tǒng)滿足更小、更高效,、性能更好的需求,，從而推動市場發(fā)展。

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