آشنایی با مبدل‌های DC به DC آنبرد در خودرو

مبدل‌های DC به DC آنبرد، اجزای حیاتی سیستم‌های الکتریکی مدرن خودروها هستند که وظیفه تنظیم و تبدیل ولتاژ DC ورودی به ولتاژهای DC مناسب برای قطعات مختلف خودرو را بر عهده دارند. در این مقاله، به بررسی جامع عملکرد، انواع، کاربردها و نکات فنی مرتبط با مبدل‌های DC-DC آنبرد می‌پردازیم.

مقدمه‌ای بر مبدل‌های DC به DC آنبرد

در خودروهای امروزی با سیستم‌های الکتریکی پیچیده و الکترونیکی متنوع، تأمین ولتاژ ثابت و مطمئن برای قطعات مختلف از اهمیت بالایی برخوردار است. باتری خودرو معمولاً ولتاژ 12 ولت DC را تأمین می‌کند اما بسیاری از مدارات و سنسورها نیاز به ولتاژهای دیگر مانند 5 ولت، 3.3 ولت یا گاهی ولتاژهای بالاتر دارند. در این میان مبدل‌های DC به DC آنبرد (Onboard DC-DC Converters) به عنوان مبدل‌های ولتاژ داخلی خودرو وظیفه تنظیم و تحویل ولتاژهای مورد نیاز را بر عهده دارند.

اصول عملکرد مبدل‌های DC به DC

مبدل‌های DC به DC آنبرد با بهره‌گیری از تکنولوژی‌های سوئیچینگ، انرژی DC ورودی را به سطوح ولتاژی دیگر تبدیل می‌کنند. در حالت کلی، مبدل‌ها سه نوع اصلی دارند:

• مبدل کاهنده (Buck Converter)
• مبدل افزاینده (Boost Converter)
• مبدل کاهنده-افزاینده (Buck-Boost Converter)

در سیستم‌های خودرو، اغلب از مبدل‌های کاهنده برای تبدیل ولتاژ 12 الی 14 ولت باتری به ولتاژهای پایین‌تر مثل 5 ولت یا 3.3 ولت استفاده می‌شود. برخی کاربردهای خاص نیز به ولتاژهای بالاتر نیاز دارند که در آن صورت مبدل افزاینده یا ترکیبی بکار می‌رود.

ساختار داخلی و عملکرد سوئیچینگ

مبدل‌های DC به DC داخلی شامل قطعات کلیدی از جمله ترانزیستورهای قدرت (معمولاً MOSFET)، دیودهای شاتکی، القاگر (Inductor)، خازن‌های فیلتر و مدار کنترل PWM هستند. عملکرد به شکل زیر است:

1. مدار کنترل با مدولاسیون عرض پالس (PWM) نسبت زمان روشن بودن ترانزیستور قدرت را تنظیم می‌کند.
2. ترانزیستورهای سوئیچ، جریان الکتریکی را به صورت پالسی به القاگر اعمال می‌کنند.
3. القاگر انرژی را ذخیره و سپس با پالس‌های چرخه خاموش انرژی را آزاد می‌کند که باعث صاف شدن جریان و کاهش نویز می‌شود.
4. خازن‌های خروجی نقش فیلتر را جهت کاهش نوسانات ولتاژ برعهده دارند.
5. نتیجه نهایی ولتاژ خروجی ثابت و تنظیم شده برای کاربرد مورد نظر است.

انواع مبدل‌های DC به DC آنبرد در خودرو

1. مبدل کاهنده (Buck Converter)

این نوع مبدل ولتاژ ورودی را کاهش می‌دهد. در خودروها ولتاژ باتری حدود 12-14 ولت است که مبدل‌های buck ولتاژ ورودی را به 5 ولت یا 3.3 ولت کاهش می‌دهند تا بتوان سیستم‌های الکترونیکی مثل ECU، سنسورها، نمایشگرها و دستگاه‌های ارتباطی را تغذیه کرد.

به عنوان مثال، یک مبدل buck که از IC مخصوص مثل LM2675 استفاده می‌کند می‌تواند ورودی 12 ولت را به خروجی 5 ولت با جریان 1 آمپر برساند.

2. مبدل افزاینده (Boost Converter)

در برخی موارد به ولتاژ بالاتری نسبت به باتری نیاز است، مثلا مبدل‌های بوست حداقل ولتاژ ورودی را می‌گیرند و ولتاژ خروجی بالاتری تولید می‌کنند. به طور مثال، سیستم روشنایی LED ولتاژهای 24 یا 48 ولت گاهی در خودروها نیاز است که با مبدل‌های بوست تأمین می‌شود.

3. مبدل کاهنده-افزاینده (Buck-Boost Converter)

این نوع مبدل‌ها قابلیت افزایش یا کاهش ولتاژ را دارند و بسیار کارآمد برای خودروهای هسته‌ای مدرن هستند که باید ولتاژهای متغیر باتری را به خروجی‌های ثابت تبدیل کنند. برای مثال، وقتی ولتاژ باتری هنگام استارت زدن افت می‌کند و کمتر از 12 ولت می‌شود، این مبدل‌ها می‌توانند ولتاژ را افزایش داده و دستگاه‌ها را با ولتاژ ثابت تغذیه کنند.

کاربردهای مبدل‌های DC به DC آنبرد در خودرو

سیستم‌های ECU و کنترل موتور

کامپیوترهای خودرو (ECU) به ولتاژهای دقیق 5 ولت یا کمتر نیاز دارند تا سیگنال‌ها را صحیح پردازش کنند. از مبدل‌های DC به DC آنبرد استفاده می‌شود تا این ولتاژها از منبع باتری تأمین و پایدار شود.

سیستم‌های سرگرمی و اطلاعاتی (Infotainment)

نمایشگرهای لمسی، سیستم‌های صوتی و ارتباطی خودرو با سطوح ولتاژ استاندارد 5 ولت یا 3.3 ولت کار می‌کنند که توسط مبدل‌های DC به DC تامین می‌شود.

سیستم‌های روشنایی LED و نورپردازی داخلی

بسیاری از خودروهای مدرن از نورپردازی LED با ولتاژهای خاص استفاده می‌کنند که نیاز به مبدل‌های بوست یا کاهنده-افزاینده دارد.

تامین ولتاژ سنسورها و دورسنج‌ها

سنسورهای فشار، دما، اکسیژن و غیره از ولتاژ دقیق و نویز پایین بهره‌مند می‌شوند که بدون مبدل‌های DC-DC قابل تامین نیست.

نکات فنی و چالش‌ها در طراحی مبدل‌های DC به DC آنبرد خودرو

انطباق با نویز و EMI

از آنجایی که مبدل‌های سوئیچینگ سریع کار می‌کنند، نویز الکترومغناطیسی (EMI) تولید می‌کنند. طراحی مدار باید شامل فیلترهای مناسب و محافظت EMI باشد تا تداخل الکترونیکی با سیستم‌های حساس خودرو ایجاد نشود.

موارد حرارتی و خنک‌کنندگی

مبدل‌های DC به DC در مبدل‌های آنبرد در فضای محدود خودرو قرار دارند و باید طراحی شوند که حرارت کم تولید کنند و نیاز به خنک‌کننده‌های بزرگ نداشته باشند.

کارایی و راندمان انرژی

راندمان مبدل نقش مهمی در افزایش عمر باتری و کاهش مصرف سوخت و انرژی دارد. مبدل‌هایی با راندمان بالای 90٪ مطلوب هستند تا تلفات انرژی در حداقل باشد.

پایداری ولتاژ و حفاظت مدار

مدارهای محافظ نظیر حفاظت در برابر افزایش جریان، ولتاژ، دما و اتصال کوتاه در طراحی مبدل آنبرد الزامی است تا عمر دستگاه‌های الکترونیکی تضمین شود.

نمونه‌های عملی و کاربردی

به عنوان مثال در خودروهای هیبریدی و برقی، مبدل‌ DC-DC اهمیت بسیار بالایی دارد. باتری‌های ولتاژ بالا (مثلاً 300 ولت) با مبدل‌های DC-DC ولتاژ را به 12 ولت تبدیل می‌کنند تا سیستم‌های کم ولتاژ خودرو را تغذیه کنند. کمپانی‌هایی مانند Tesla و Toyota از مبدل‌های اختصاصی با فناوری پیشرفته برای بهبود کارایی استفاده می‌کنند.

در خودروهای سواری معمولی هم مبدل‌های DC به DC آنبرد کوچک برای تغذیه سنسورها و سیستم‌های کم ولتاژ به کار گرفته می‌شوند که با کاهش ولتاژ از باتری 12 ولتی، نوسانات و نویزهای برق خودرو را مدیریت می‌کنند.

نتیجه‌گیری

مبدل‌های DC به DC آنبرد، یکی از اجزاء کلیدی در سیستم الکتریکی خودروهای مدرن به شمار می‌آیند. این مبدل‌ها با تبدیل ولتاژهای ورودی به سطح ولتاژهای مطمئن و مورد نیاز، تضمین‌کننده عملکرد بی‌وقفه و بهینه سیستم‌های کنترلی، حسگرها، تجهیزات روشنایی و سیستم‌های سرگرمی خودرو هستند. شناخت و درک دقیق انواع مبدل‌ها، عملکرد داخلی، چالش‌های طراحی و کاربردهای آنها برای مهندسین خودرو و علاقه‌مندان حوزه الکترونیک وسایل نقلیه ضروری است.