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400V或800V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48V或12V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

48V和12V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48V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LV配電模式中 ，單個較大的48V-12V轉(zhuǎn)換器 （約3kW） 為12V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V_IN最高可達(dá)32V， 并且可以抵御高達(dá)60V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-18V至45V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、 R_DS(ON)和柵極電荷Q_G， 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R_DS(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R_DS(ON)， 但整體能效更好， 特別是在較高頻率時。

●   RD_S(ON)和柵極電荷Q_G整體降低， R_sp（R_DS(ON)相對于面積）更低

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

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

●   改進(jìn)的FOM(R_DS x Q_OSS/Q_G/Q_GD)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（Q_rr、 T_rr）降低了振鈴、過沖和噪聲。

安森美為12V、 48V 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 5.1x7.5mm 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R_DS(ON)低于1.2mΩ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12V和48V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R_DS(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R_DS(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。