【導(dǎo)讀】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(hù)的半導(dǎo)體開關(guān)。電子保險絲和 SmartFET 可為負(fù)載、傳感器和執(zhí)行器提供保護(hù)，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(qiáng)大的中央計算機(jī)處理，從而為下游的電子控制和配電提供了更高的靈活性。
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(hù)的半導(dǎo)體開關(guān)。電子保險絲和 SmartFET 可為負(fù)載、傳感器和執(zhí)行器提供保護(hù)，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(qiáng)大的中央計算機(jī)處理，從而為下游的電子控制和配電提供了更高的靈活性。
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(dá)特定區(qū)域內(nèi)的各個負(fù)載。 PDU 位于 ZCU之前， 也可以直接為大電流負(fù)載供電。 ZCU 則負(fù)責(zé)為車輛指定區(qū)域內(nèi)的大多數(shù)負(fù)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(hù)半導(dǎo)體開關(guān)
長期以來，汽車保險絲一直是保護(hù)電路和下游負(fù)載免受過電流影響的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(hù)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(hù)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(jìn)。 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(qiáng)負(fù)載保護(hù)和安全性：發(fā)生短路時，會啟用智能重試機(jī)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(hù)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(fù)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(jìn)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(hù)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(qiáng)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(jìn)了 RSC 和短路保護(hù)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(hù)智能分立 FET
· 溫差熱關(guān)斷和過溫保護(hù)， 支持自動重啟
· 過電流、 過壓保護(hù)， 集成漏極至柵極箝位和 ESD 保護(hù)
· 通過柵極引腳進(jìn)行故障監(jiān)測和指示
圖 1： NCV841x SmartFET 框圖，包括自我診斷和保護(hù)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(hù)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(jī)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(hù)汽車電池（電源） ， 工作電壓 VIN 最高可達(dá)32 V， 并且可以抵御高達(dá) 60 V 拋負(fù)載（負(fù)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(hù)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(hù)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(hù) + 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(hù)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(jī)控制和負(fù)載開關(guān)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)保護(hù)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(jìn)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(xiàn)從約 50% 減少到 22%。 更薄的襯底也提高了器件的熱性能。
推薦閱讀：
云母電容技術(shù)解析與產(chǎn)業(yè)格局深度研究
戰(zhàn)略升級！胡祖忻兼任福迪威亞太總裁與福祿克國際業(yè)務(wù)全球副總裁
利用智能監(jiān)測技術(shù)提高電機(jī)能效與可持續(xù)性
工程師必知的振蕩器動態(tài)相位噪聲優(yōu)化四重奏
