向軟件定義汽車 (SDV) 的轉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體開關。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，更好地應對功能故障情況。不同于傳統(tǒng)的域架構，區(qū)域控制架構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。

系統(tǒng)描述

電動汽車中的低壓配電

低壓 (LV) 電網在所有車型中都起著關鍵作用。 區(qū)域控制架構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。 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) 。 HV-LV DC-DC 轉換器將高壓降壓， 為 LV 網絡供電， 通常為48 V 或 12 V 電池架構。 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 電網可能共存于同一輛車中，因此 HV-LV 轉換器可以直接為 48 V 電池供電，而額外的 48V - 12V 轉換器可以充 當 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 換 器 ( 約 3 k W ) 為 1 2 V 電 池 充 電 。

相較之下，區(qū)域控制架構采用分布式方法，在區(qū)域控制器 (ZCU) 內嵌入多個較小的 DC-DC 轉換器。

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 則負責為車輛指定區(qū)域內的大多數(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。

從刀片式保險絲轉向受保護半導體開關

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。傳統(tǒng)刀片式保險絲的工作原理簡單而關鍵：其中包含一個經過校準的燈絲，特定時間內 (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)域控制架構的采用， 整車廠商和一級供應商越來越多地用受保護的半導體開關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) ， 受保護的半導體開關能夠復位，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：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，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，更好地應對功能故障情況。

· 易于集成：此類開關可通過微控制器 (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。

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

· 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)域控制架構中的關鍵組件， 在配電層次結構中承擔初始配電的作用。 PDU 連接到車輛的低壓(LV) 電池(通常為 12V 或 48V) 或者 HV-LV DC-DC 轉換器的輸出端， 由轉換器將高壓 (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)域內進一步管理配電， 從而大大減輕了線束的重量和復雜性。 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 的組成結構：

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 采用了溫差熱關斷技術，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 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， 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， 設置晶體管的開/關狀態(tài)。 它的作用是調節(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 應用原理圖(理想二極管)

圖 3： NCV68261 應用原理圖(極性反接保護 + 上橋開關)

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置所需的保護模式。 連接的電源電壓應在 -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， 可使用評估板的預設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： 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節(jié)點。 新的屏蔽柵極溝槽技術提高了能效， 降低了輸出電容、 RDS(ON)和柵極電荷 QG， 改善了品質因數(shù)。 T10-M 采用特定應用架構， 具有極低的 RDS(ON)和軟恢復體二極管， 專門針對電機控制和負載開關進行了優(yōu)化。 另一方面， T10-S 專為開關應用而設計， 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)界領先的軟恢復體二極管(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 所列產品系列進一步了解安森美提供的方案。

有多種器件技術和封裝供設計人員選擇。 替代設計方案是緊湊的 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 內部， 設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， 隨著技術的進步， 使用較低電阻率的襯底和減薄晶圓變得至關重要。 在 T10 技術中， 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。