WEBENCH轻松搞定新能源汽车充电机，设计步骤详解！

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。

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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：

1. LLC
2. 全桥
3. 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：

1. 主控电源的供给电路（非隔离电源）
2. 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：

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

                                                         图5 汽车电子主控电源设计概览

我们往常的设计流程为：

1. 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
2. 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
3. 实测常温下和各种输入状态下的情况
4. 环境实验、EMC实验摸底
5. 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。