向軟件定義汽車 (SDV) 的轉(zhuǎn)型促使汽車制造商不斷創(chuàng)新，在區(qū)域控制器中集成受保護的半導(dǎo)體開關(guān)。電子保險絲和 SmartFET 可為負載、傳感器和執(zhí)行器提供保護，從而提高功能安全性，更好地應(yīng)對功能故障情況。不同于傳統(tǒng)的域架構(gòu)，區(qū)域控制架構(gòu)采用集中控制和計算的方式，將分散在各個 ECU 上的軟件統(tǒng)一交由強大的中央計算機處理，從而為下游的電子控制和配電提供了更高的靈活性。

本系統(tǒng)方案指南 (SSG) 探討了車輛區(qū)域控制架構(gòu)的最新趨勢和技術(shù)。第一篇介紹了區(qū)域控制架構(gòu)的市場趨勢，第二篇將介紹系統(tǒng)架構(gòu)和方案。

系統(tǒng)描述

電動汽車中的低壓配電

低壓 (LV) 電網(wǎng)在所有車型中都起著關(guān)鍵作用。 區(qū)域控制架構(gòu)也部署在混合動力系統(tǒng)中， 此處僅重點介紹電動汽車的區(qū)域控制架構(gòu)。 如下面的框圖所示， 電力來自高壓 (HV) 電池組(通常為 400 V 或 800 V 電池架構(gòu)) 。 HV-LV DC-DC 轉(zhuǎn)換器將高壓降壓， 為 LV 網(wǎng)絡(luò)供電， 通常為48 V 或 12 V 電池架構(gòu)。 有的汽車只有一種 LV 電池， 有的有兩種電池， 每種電池使用單獨的轉(zhuǎn)換器， 因制造商和汽車型號而異。

低壓配電系統(tǒng)的主要器件

48 V 和 12 V 電網(wǎng)可能共存于同一輛車中，因此 HV-LV 轉(zhuǎn)換器可以直接為 48 V 電池供電，而額外的 48V - 12V 轉(zhuǎn)換器可以充 當(dāng) 中 間 降 壓 級 。 在 集 中 式 L V 配 電 模 式 中 ， 單 個 較 大 的 4 8V - 1 2 V 轉(zhuǎn) 換 器 ( 約 3 k W ) 為 1 2 V 電 池 充 電 。

相較之下，區(qū)域控制架構(gòu)采用分布式方法，在區(qū)域控制器 (ZCU) 內(nèi)嵌入多個較小的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

使用單獨的電源分配單元 (PDU) 和 ZCU 時， 電力從電源流過 PDU 和 ZCU， 到達特定區(qū)域內(nèi)的各個負載。 PDU 位于 ZCU之前， 也可以直接為大電流負載供電。 ZCU 則負責(zé)為車輛指定區(qū)域內(nèi)的大多數(shù)負載分配電力。 下面的框圖直觀地呈現(xiàn)了該電力流及不同的實現(xiàn)方案。

目前市場上主要有以下兩種方法：

一體式 PDU 和 ZCU：將 PDU 和 ZCU 功能集成在單個模塊中。

分離式 PDU 和 ZCU：使用獨立的 PDU 和 ZCU 單元。

從刀片式保險絲轉(zhuǎn)向受保護半導(dǎo)體開關(guān)

長期以來，汽車保險絲一直是保護電路和下游負載免受過電流影響的標準方案，以免過電流引起火災(zāi)。傳統(tǒng)刀片式保險絲的工作原理簡單而關(guān)鍵：其中包含一個經(jīng)過校準的燈絲，特定時間內(nèi) (I2t) 若電流過大，燈絲會熔化，從而使電路開路并中斷電流。所選擇的燈絲材料及其橫截面積決定了保險絲的額定電流。

隨著區(qū)域控制架構(gòu)的采用， 整車廠商和一級供應(yīng)商越來越多地用受保護的半導(dǎo)體開關(guān)來取代刀片式保險絲， 大大提高了功能安全性。 不同于傳統(tǒng)保險絲(熔斷后必須更換) ， 受保護的半導(dǎo)體開關(guān)能夠復(fù)位，發(fā)生跳閘事件后無需更換， 因此更加先進。 安森美(onsemi)提供三種類型的此類開關(guān)：電子保險絲、 SmartFET 和理想二極管控制器。

此類新型器件具有以下應(yīng)用優(yōu)勢：

加強負載保護和安全性：發(fā)生短路時，會啟用智能重試機制和快速瞬態(tài)響應(yīng)，有助于限制電流過沖。靈活性大大提升，有助于提高功能安全性，更好地應(yīng)對功能故障情況。

易于集成：此類開關(guān)可通過微控制器 (MCU) 輕松集成到更大的系統(tǒng)中，提供配置、診斷和狀態(tài)報告功能。

可復(fù)位：與傳統(tǒng)保險絲不同，此類開關(guān)在跳閘后無需更換，可實現(xiàn)靈活的保護方案和閾值調(diào)整。

尺寸緊湊：器件尺寸變小后，更利于集成到區(qū)域控制架構(gòu)中，節(jié)省空間并簡化車輛線束。

方案概述

電源分配單元 (PDU) – 框圖

電源分配單元 (PDU) 是車輛區(qū)域控制架構(gòu)中的關(guān)鍵組件， 在配電層次結(jié)構(gòu)中承擔(dān)初始配電的作用。 PDU 連接到車輛的低壓(LV) 電池(通常為 12V 或 48V) 或者 HV-LV DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出端， 由轉(zhuǎn)換器將高壓 (HV) 電池的電壓降低。

PDU 可將電力智能分配至車內(nèi)的各個區(qū)域， 確保高效可靠的電源管理。 PDU 可直接為大電流負載供電， 也可將電力分配給多個區(qū)域控制器 (ZCU)。 ZCU 則在各自區(qū)域內(nèi)進一步管理配電， 從而大大減輕了線束的重量和復(fù)雜性。 目前有多種方案可供選擇， 能夠滿足不同汽車制造商及其車型的特定要求。 下面的框圖簡要展示了 PDU 的組成結(jié)構(gòu)

用于上橋和下橋保護的 SmartFET

下橋 SmartFET - NCV841x“F”系列

安森美提供兩種系列的下橋 SmartFET：基礎(chǔ)型 NCV840x 和增強型 NCV841x。這兩個系列的引腳相互兼容，且采用相同的封裝。 NCV841x 改進了 RSC 和短路保護性能，可顯著延長器件的使用壽命。 NCV841x SmartFET 采用了溫差熱關(guān)斷技術(shù)，可有效防止高熱瞬變對器件的破壞，確保優(yōu)異的 RSC 性能。

NCV841x 系列具有非常平坦的溫度系數(shù)，可在 -40℃ 至 125℃ 的溫度范圍內(nèi)保持一致的電流限制。由于基本不受溫度影響，因此無需為應(yīng)對寒冷天氣條件下的電流增大而選擇更粗的電線。電線尺寸減小有助于降低車輛線束的成本和占用空間。

NCV8411(NCV841x 系列) 的主要特性：

三端受保護智能分立 FET

溫差熱關(guān)斷和過溫保護， 支持自動重啟

過電流、 過壓保護， 集成漏極至柵極箝位和 ESD 保護

通過柵極引腳進行故障監(jiān)測和指示

圖 1： NCV841x SmartFET 框圖，包括自我診斷和保護電路

理想二極管和上橋開關(guān) NMOS 控制器

NCV68261 是一款極性反接保護和理想二極管 NMOS 控制器， 具有可選的上橋開關(guān)功能， 損耗和正向電壓均低于功率整流二極管和機械功率開關(guān)， 可替代后二者。 這款控制器與一個或兩個 N 溝道 MOSFET 協(xié)同工作， 并根據(jù)使能引腳的狀態(tài)和輸入至漏極的差分電壓極性， 設(shè)置晶體管的開/關(guān)狀態(tài)。 它的作用是調(diào)節(jié)和保護汽車電池(電源) ， 工作電壓 VIN 最高可達32 V， 并且可以抵御高達 60 V 拋負載(負載突降) 脈沖。 NCV68261 采用非常小的 WDFNW-6 封裝， 能夠在很小的空間內(nèi)實現(xiàn)保護功能。

這款控制器可通過漏極引腳輕松控制， 支持理想二極管工作模式(圖 2) 和極性反接保護工作模式(圖 3) 。

圖 2： NCV68261 應(yīng)用原理圖(理想二極管)

圖 3： NCV68261 應(yīng)用原理圖(極性反接保護 + 上橋開關(guān))

評估板 (EVB)

以下兩款理想二極管控制器均可使用評估板： NCV68061 和 NCV68261。 用戶可利用評估板在各種配置中測試控制器， 可通過評估板上的跳線設(shè)置所需的保護模式。 連接的電源電壓應(yīng)在 -18 V 至 45 V 之間， 不得超過器件的最大額定值。 通過附加跳線， 可使用評估板的預(yù)設(shè)布局或使用外部連接信號來控制器件。

圖 4： NCV68261 評估板

T10 MOSFET 技術(shù)： 40V-80V 低壓和中壓 MOSFET

T10 是安森美繼 T6/T8 成功之后推出的最新技術(shù)節(jié)點。 新的屏蔽柵極溝槽技術(shù)提高了能效， 降低了輸出電容、 RDS(ON)和柵極電荷 QG， 改善了品質(zhì)因數(shù)。 T10-M 采用特定應(yīng)用架構(gòu)， 具有極低的 RDS(ON)和軟恢復(fù)體二極管， 專門針對電機控制和負載開關(guān)進行了優(yōu)化。 另一方面， T10-S 專為開關(guān)應(yīng)用而設(shè)計， 更加注重降低輸出電容。 雖然會犧牲少量的RDS(ON)， 但整體能效更好， 特別是在較高頻率時。

RDS(ON)和柵極電荷 QG 整體降低， Rsp(RDS(ON)相對于面積)更低

在 40V 器件中， NVMFWS0D4N04XM 具有很低的RDS(ON)， 僅為 0.42mΩ。

在 80V 器件中， NVBLS0D8N08X 具有很低的RDS(ON)， 僅為 0.8mΩ。

改進的 FOM (RDS x QOSS/QG/QGD) 提高了性能和整體能效。

業(yè)界領(lǐng)先的軟恢復(fù)體二極管(Qrr、 Trr)降低了振鈴、過沖和噪聲。

安森美為 12 V、 48 V PDU 和 ZCU 提供多種 LV 和 MV MOSFET。 可通過表 1 所列產(chǎn)品系列進一步了解安森美提供的方案。

有多種器件技術(shù)和封裝供設(shè)計人員選擇。 替代設(shè)計方案是緊湊的 5.1 x 7.5 mm TCPAK57 頂部散熱封裝， 可通過封裝頂部的裸露漏極進行散熱。

PDU 中的電流水平明顯高于單個 ZCU 內(nèi)部的電流水平， 因此可考慮采用 RDS(ON)低于 1.2 mΩ 的分立式 MOSFET 方案。 另一種方案是在 PDU 內(nèi)部并聯(lián)多個 MOSFET， 可進一步提升電流承載能力。 在電流消耗較低的 ZCU 內(nèi)部， 設(shè)計人員可以選擇具有先進保護功能(如新的 SmartGuard 功能) 的 SmartFET。

表 1：推薦安森美 MOSFET(適用于 12 V 和 48 V 系統(tǒng))。

圖 5： T10 MOSFET(底部散熱)和替代方案TCPAK57(頂部散熱)的常規(guī)封裝。

晶圓減薄

對于低壓 FET， 襯底電阻可能占RDS(ON)的很大一部分。 因此， 隨著技術(shù)的進步， 使用較低電阻率的襯底和減薄晶圓變得至關(guān)重要。 在 T10 技術(shù)中， 安森美成功減小了晶圓厚度， 從而將 40V MOSFET 中襯底對 RDS(ON)的貢獻從約 50% 減少到 22%。 更薄的襯底也提高了器件的熱性能。