【導讀】向軟件定義汽車 (SDV) 的轉型促使汽車製造商不斷創新，在區域控製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。不同於傳統的域架構，區域控製架構采用集中控製和計算的方式

，將分散在各個 ECU 上的軟件統一交由強大的中央計算機處理
，從而為下遊的電子控製和配電提供了更高的靈活性。

向軟件定義汽車 (SDV) 的轉型促使汽車製造商不斷創新，在區域控製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(chuan)感(gan)器(qi)和(he)執(zhi)行(xing)器(qi)提(ti)供(gong)保(bao)護(hu)
，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)功(gong)能(neng)安(an)全(quan)性(xing)，更(geng)好(hao)地(di)應(ying)對(dui)功(gong)能(neng)故(gu)障(zhang)情(qing)況(kuang)。不(bu)同(tong)於(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)域(yu)架(jia)構(gou)
，區(qu)域(yu)控(kong)製(zhi)架(jia)構(gou)采(cai)用(yong)集(ji)中(zhong)控(kong)製(zhi)和(he)計(ji)算(suan)的(de)方(fang)式(shi)，將(jiang)分(fen)散(san)在(zai)各(ge)個(ge) ECU 上的軟件統一交由強大的中央計算機處理
，從而為下遊的電子控製和配電提供了更高的靈活性。

係統描述

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。 區域控製架構也部署在混合動力係統中
， 此處僅重點介紹電動汽車的區域控製架構。 如下麵的框圖所示
， 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。 有的汽車隻有一種 LV 電池， 有的有兩種電池
， 每種電池使用單獨的轉換器
， 因製造商和汽車型號而異。

低壓配電係統的主要器件

48 V 和 12 V 電網可能共存於同一輛車中

，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
，區域控製架構采用分布式方法，在區域控製器 (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， 到達特定區域內的各個負載。 PDU 位於 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域內的大多數負載分配電力。 下麵的框圖直觀地呈現了該電力流及不同的實現方案。

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(chang)期(qi)以(yi)來(lai)，汽(qi)車(che)保(bao)險(xian)絲(si)一(yi)直(zhi)是(shi)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)和(he)下(xia)遊(you)負(fu)載(zai)免(mian)受(shou)過(guo)電(dian)流(liu)影(ying)響(xiang)的(de)標(biao)準(zhun)方(fang)案(an)，以(yi)免(mian)過(guo)電(dian)流(liu)引(yin)起(qi)火(huo)災(zai)。傳(chuan)統(tong)刀(dao)片(pian)式(shi)保(bao)險(xian)絲(si)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)簡(jian)單(dan)而(er)關(guan)鍵(jian)：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，從而使電路開路並中斷電流。所選擇的燈絲材料及其橫截麵積決定了保險絲的額定電流。

隨著區域控製架構的采用
， 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。 不同於傳統保險絲（熔斷後必須更換） 
， 受保護的半導體開關能夠複位，發生跳閘事件後無需更換， 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 和理想二極管控製器。

此類新型器件具有以下應用優勢：

· 加強負載保護和安全性：發fa生sheng短duan路lu時shi
，會hui啟qi用yong智zhi能neng重zhong試shi機ji製zhi和he快kuai速su瞬shun態tai響xiang應ying，有you助zhu於yu限xian製zhi電dian流liu過guo衝chong。靈ling活huo性xing大da大da提ti升sheng，有you助zhu於yu提ti高gao功gong能neng安an全quan性xing
，更geng好hao地di應ying對dui功gong能neng故gu障zhang情qing況kuang。

· 易於集成：此類開關可通過微控製器 (MCU) 輕鬆集成到更大的係統中，提供配置
、診斷和狀態報告功能。

· 可複位：與傳統保險絲不同
，此類開關在跳閘後無需更換，可實現靈活的保護方案和閾值調整。

· 尺寸緊湊：器件尺寸變小後，更利於集成到區域控製架構中，節省空間並簡化車輛線束。

方案概述

電源分配單元 (PDU) – 框圖
電源分配單元 (PDU) 是車輛區域控製架構中的關鍵組件， 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域控製器 (ZCU)。 ZCU 則在各自區域內進一步管理配電
， 從而大大減輕了線束的重量和複雜性。 目前有多種方案可供選擇， 能夠滿足不同汽車製造商及其車型的特定要求。 下麵的框圖簡要展示了 PDU 的組成結構：

用於上橋和下橋保護的 SmartFET

下橋 SmartFET - NCV841x“F”係列
安森美提供兩種係列的下橋 SmartFET：基礎型 NCV840x 和增強型 NCV841x。這兩個係列的引腳相互兼容

，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，確保優異的 RSC 性能。

NCV841x 係列具有非常平坦的溫度係數，可在 -40℃ 至 125℃ 的(de)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)保(bao)持(chi)一(yi)致(zhi)的(de)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)。由(you)於(yu)基(ji)本(ben)不(bu)受(shou)溫(wen)度(du)影(ying)響(xiang)
，因(yin)此(ci)無(wu)需(xu)為(wei)應(ying)對(dui)寒(han)冷(leng)天(tian)氣(qi)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)電(dian)流(liu)增(zeng)大(da)而(er)選(xuan)擇(ze)更(geng)粗(cu)的(de)電(dian)線(xian)。電(dian)線(xian)尺(chi)寸(cun)減(jian)小(xiao)有(you)助(zhu)於(yu)降(jiang)低(di)車(che)輛(liang)線(xian)束(shu)的(de)成(cheng)本(ben)和(he)占(zhan)用(yong)空(kong)間(jian)。

NCV8411（NCV841x 係列） 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 控製器

NCV68261 是一款極性反接保護和理想二極管 NMOS 控製器， 具有可選的上橋開關功能， 損耗和正向電壓均低於功率整流二極管和機械功率開關
， 可替代後二者。 這款控製器與一個或兩個 N 溝道 MOSFET 協同工作， 並根據使能引腳的狀態和輸入至漏極的差分電壓極性， 設置晶體管的開/關狀態。 它的作用是調節和保護汽車電池（電源） ， 工作電壓 VIN 最高可達32 V
， 並且可以抵禦高達 60 V 拋負載（負載突降） 脈衝。 NCV68261 采用非常小的 WDFNW-6 封裝， 能夠在很小的空間內實現保護功能。

這款控製器可通過漏極引腳輕鬆控製， 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製器均可使用評估板： NCV68061 和 NCV68261。 用戶可利用評估板在各種配置中測試控製器， 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製器件。

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 成功之後推出的最新技術節點。 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。 T10-M 采用特定應用架構， 具有極低的 RDS(ON)和軟恢複體二極管， 專門針對電機控製和負載開關進行了優化。 另一方麵， 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)相對於麵積）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。

· 業界領先的軟恢複體二極管（Qrr、 Trr）降低了振鈴、過衝和噪聲。

安森美為 12 V、 48 V PDU 和 ZCU 提供多種 LV 和 MV MOSFET。 可通過表 1 所列產品係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於單個 ZCU 內部的電流水平， 因此可考慮采用 RDS(ON)低於 1.2 mΩ 的分立式 MOSFET 方案。 另一種方案是在 PDU 內部並聯多個 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（適用於 12 V 和 48 V 係統）

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

晶圓減薄

對於低壓 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。

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