車(chē)輛區域控制架構關(guān)鍵技術(shù)——趨勢篇
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向軟件定義汽車(chē)(SDV)的轉型促使汽車(chē)制造商不斷創(chuàng )新，在區域控制器中集成受保護的半導體開(kāi)關(guān)。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。不同于傳統的域架構，區域控制架構采用集中控制和計算的方式，將分散在各個(gè)ECU上的軟件統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。
系統描述
電動(dòng)汽車(chē)中的低壓配電
低壓 (LV)電網(wǎng)在所有車(chē)型中都起著(zhù)關(guān)鍵作用。 區域控制架構也部署在混合動(dòng)力系統中， 此處僅重點(diǎn)介紹電動(dòng)汽車(chē)的區域控制架構。 如下面的框圖所示， 電力來(lái)自高壓(HV)電池組（通常為400V或800V電池架構） 。 HV-LV DC-DC轉換器將高壓降壓， 為L(cháng)V網(wǎng)絡(luò )供電， 通常為48V或12V電池架構。 有的汽車(chē)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(chē)型號而異。
低壓配電系統的主要器件
48V和12V電網(wǎng)可能共存于同一輛車(chē)中，因此HV-LV轉換器可以直接為48V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LV配電模式中 ，單個(gè)較大的48V-12V轉換器 （約3kW） 為12V電池充電 。
相較之下，區域控制架構采用分布式方法，在區域控制器(ZCU)內嵌入多個(gè)較小的DC-DC轉換器。
使用單獨的電源分配單元(PDU)和ZCU時(shí)， 電力從電源流過(guò)PDU和ZCU， 到達特定區域內的各個(gè)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(chē)輛指定區域內的大多數負載分配電力。 下面的框圖直觀(guān)地呈現了該電力流及不同的實(shí)現方案。
目前市場(chǎng)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(gè)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(kāi)關(guān)
長(cháng)期以來(lái)，汽車(chē)保險絲一直是保護電路和下游負載免受過(guò)電流影響的標準方案，以免過(guò)電流引起火災。傳統刀片式保險絲的工作原理簡(jiǎn)單而關(guān)鍵：其中包含一個(gè)經(jīng)過(guò)校準的燈絲，特定時(shí)間內 (I2t) 若電流過(guò)大，燈絲會(huì )熔化，從而使電路開(kāi)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(zhù)區域控制架構的采用， 整車(chē)廠(chǎng)商和一級供應商越來(lái)越多地用受保護的半導體開(kāi)關(guān)來(lái)取代刀片式保險絲， 大大提高了功能安全性。 不同于傳統保險絲（熔斷后必須更換） ， 受保護的半導體開(kāi)關(guān)能夠復位，發(fā)生跳閘事件后無(wú)需更換， 因此更加先進(jìn)。 安森美（onsemi）提供三種類(lèi)型的此類(lèi)開(kāi)關(guān)：電子保險絲、 SmartFET和理想二極管控制器。
此類(lèi)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(shí)，會(huì )啟用智能重試機制和快速瞬態(tài)響應，有助于限制電流過(guò)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(lèi)開(kāi)關(guān)可通過(guò)微控制器(MCU)輕松集成到更大的系統中，提供配置、診斷和狀態(tài)報告功能。
● 可復位：與傳統保險絲不同，此類(lèi)開(kāi)關(guān)在跳閘后無(wú)需更換，可實(shí)現靈活的保護方案和閾值調整。
● 尺寸緊湊：器件尺寸變小后，更利于集成到區域控制架構中，節省空間并簡(jiǎn)化車(chē)輛線(xiàn)束。
方案概述
電源分配單元 (PDU)–框圖
電源分配單元(PDU)是車(chē)輛區域控制架構中的關(guān)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(chē)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(chē)內的各個(gè)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(gè)區域控制器(ZCU)。 ZCU則在各自區域內進(jìn)一步管理配電， 從而大大減輕了線(xiàn)束的重量和復雜性。 目前有多種方案可供選擇， 能夠滿(mǎn)足不同汽車(chē)制造商及其車(chē)型的特定要求。 下面的框圖簡(jiǎn)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(gè)系列的引腳相互兼容，且采用相同的封裝。 NCV841x 改進(jìn)了 RSC 和短路保護性能，可顯著(zhù)延長(cháng)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，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(wú)需為應對寒冷天氣條件下的電流增大而選擇更粗的電線(xiàn)。電線(xiàn)尺寸減小有助于降低車(chē)輛線(xiàn)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(guò)溫保護， 支持自動(dòng)重啟
● 過(guò)電流、 過(guò)壓保護， 集成漏極至柵極箝位和ESD保護
● 通過(guò)柵極引腳進(jìn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)， 可替代后二者。 這款控制器與一個(gè)或兩個(gè)N溝道MOSFET協(xié)同工作， 并根據使能引腳的狀態(tài)和輸入至漏極的差分電壓極性， 設置晶體管的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。 它的作用是調節和保護汽車(chē)電池（電源） ， 工作電壓VIN最高可達32V， 并且可以抵御高達60V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(shí)現保護功能。
這款控制器可通過(guò)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(kāi)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(hù)可利用評估板在各種配置中測試控制器， 可通過(guò)評估板上的跳線(xiàn)設置所需的保護模式。 連接的電源電壓應在-18V至45V之間， 不得超過(guò)器件的最大額定值。 通過(guò)附加跳線(xiàn)， 可使用評估板的預設布局或使用外部連接信號來(lái)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)節點(diǎn)。 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。 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(zhuān)門(mén)針對電機控制和負載開(kāi)關(guān)進(jìn)行了優(yōu)化。 另一方面， T10-S專(zhuān)為開(kāi)關(guān)應用而設計， 更加注重降低輸出電容。 雖然會(huì )犧牲少量的RDS(ON)， 但整體能效更好， 特別是在較高頻率時(shí)。
● 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)先的軟恢復體二極管（Qrr、 Trr）降低了振鈴、過(guò)沖和噪聲。
安森美為12V、 48V PDU和ZCU提供多種LV和MV MOSFET。 可通過(guò)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)和封裝供設計人員選擇。 替代設計方案是緊湊的 5.1x7.5mm TCPAK57頂部散熱封裝， 可通過(guò)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(gè)ZCU內部的電流水平， 因此可考慮采用RDS(ON)低于1.2mΩ的分立式MOSFET方案。 另一種方案是在PDU內部并聯(lián)多個(gè)MOSFET， 可進(jìn)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(jìn)保護功能（如新的SmartGuard功能） 的SmartFET。
表1 推薦安森美MOSFET（適用于12V和48V系統）
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
對于低壓FET， 襯底電阻可能占RDS(ON)的很大一部分。 因此， 隨著(zhù)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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