隨著汽車(chē)行業(yè)向軟件定義汽車(chē)（SDV）轉(zhuǎn)型，汽車(chē)制造商不斷探索創(chuàng)新技術(shù)。在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，區(qū)域控制架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，它通過(guò)在區(qū)域控制器中集成受保護(hù)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，為負(fù)載、傳感器和執(zhí)行器提供保護(hù)，提高了功能安全性，能更好地應(yīng)對(duì)功能故障情況。與傳統(tǒng)的域架構(gòu)不同，區(qū)域控制架構(gòu)采用集中控制和計(jì)算的方式，將分散在各個(gè) ECU 上的軟件統(tǒng)一交由強(qiáng)大的中央計(jì)算機(jī)處理，為下游的電子控制和配電提供了更高的靈活性。

本系統(tǒng)方案指南（SSG）將深入探討車(chē)輛區(qū)域控制架構(gòu)的趨勢(shì)和技術(shù)。篇著重介紹區(qū)域控制架構(gòu)的市場(chǎng)趨勢(shì)，第二篇?jiǎng)t聚焦于系統(tǒng)架構(gòu)和方案。

系統(tǒng)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)型中都扮演著關(guān)鍵角色，區(qū)域控制架構(gòu)同樣適用于混合動(dòng)力系統(tǒng)，不過(guò)這里主要關(guān)注電動(dòng)汽車(chē)的區(qū)域控制架構(gòu)。電力來(lái)源于高壓（HV）電池組，通常采用 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，一般形成 48V 或 12V 電池架構(gòu)。不同制造商和汽車(chē)型號(hào)在 LV 電池的配置上存在差異，有的汽車(chē)只有一種 LV 電池，有的則配備兩種電池，且每種電池使用單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器。

低壓配電系統(tǒng)的主要器件

48V 和 12V 電網(wǎng)可能同時(shí)存在于同一輛車(chē)中。HV - LV 轉(zhuǎn)換器可直接為 48V 電池供電，額外的 48V - 12V 轉(zhuǎn)換器則充當(dāng)中間降壓級(jí)。在集中式 LV 配電模式中，單個(gè)較大的 48V - 12V 轉(zhuǎn)換器（約 3kW）為 12V 電池充電。而區(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(gè)較小的 DC - DC 轉(zhuǎn)換器。

當(dāng)使用單獨(dú)的電源分配單元（PDU）和 ZCU 時(shí)，電力從電源經(jīng)過(guò) PDU 和 ZCU，到達(dá)特定區(qū)域內(nèi)的各個(gè)負(fù)載。PDU 位于 ZCU 之前，也可直接為大電流負(fù)載供電。ZCU 則負(fù)責(zé)為車(chē)輛指定區(qū)域內(nèi)的大多數(shù)負(fù)載分配電力。目前市場(chǎng)上主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一體式 PDU 和 ZCU，即將 PDU 和 ZCU 功能集成在單個(gè)模塊中；分離式 PDU 和 ZCU，即使用獨(dú)立的 PDU 和 ZCU 單元。

從刀片式保險(xiǎn)絲轉(zhuǎn)向受保護(hù)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)

長(zhǎng)期以來(lái)，汽車(chē)保險(xiǎn)絲一直是保護(hù)電路和下游負(fù)載免受過(guò)電流影響的標(biāo)準(zhǔn)方案，可防止過(guò)電流引發(fā)火災(zāi)。傳統(tǒng)刀片式保險(xiǎn)絲包含一個(gè)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的燈絲，當(dāng)特定時(shí)間內(nèi)（I2t）電流過(guò)大時(shí)，燈絲會(huì)熔化，使電路開(kāi)路并中斷電流。保險(xiǎn)絲的額定電流由所選燈絲材料及其橫截面積決定。

隨著區(qū)域控制架構(gòu)的廣泛應(yīng)用，整車(chē)廠商和供應(yīng)商越來(lái)越多地采用受保護(hù)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)來(lái)取代刀片式保險(xiǎn)絲，這顯著提高了功能安全性。與傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲熔斷后必須更換不同，受保護(hù)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)能夠復(fù)位，發(fā)生跳閘事件后無(wú)需更換，更加先進(jìn)。安森美（onsemi）提供了三種類型的此類開(kāi)關(guān)：電子保險(xiǎn)絲、SmartFET 和理想二極管控制器。

這些新型器件具有諸多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：一是加強(qiáng)負(fù)載保護(hù)和安全性，發(fā)生短路時(shí)，會(huì)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(guò)沖，提高功能安全性，更好地應(yīng)對(duì)功能故障情況；二是易于集成，可通過(guò)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)功能；三是可復(fù)位，跳閘后無(wú)需更換，能實(shí)現(xiàn)靈活的保護(hù)方案和閾值調(diào)整；四是尺寸緊湊，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(jiǎn)化車(chē)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(chē)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)初始配電的重要作用。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(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(chē)內(nèi)的各個(gè)區(qū)域，確保高效可靠的電源管理。它既可以直接為大電流負(fù)載供電，也可將電力分配給多個(gè)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，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(chē)制造商及其車(chē)型的特定要求。

用于上橋和下橋保護(hù)的 SmartFET

• 下橋 SmartFET - NCV841x “F” 系列：安森美提供基礎(chǔ)型 NCV840x 和增強(qiáng)型 NCV841x 兩種系列的下橋 SmartFET。這兩個(gè)系列引腳相互兼容，采用相同封裝。NCV841x 改進(jìn)了 RSC 和短路保護(hù)性能，可顯著延長(zhǎng)器件使用壽命。它采用溫差熱關(guān)斷技術(shù)，能有效防止高熱瞬變對(duì)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，無(wú)需為應(yīng)對(duì)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(chē)輛線束的成本和占用空間。

NCV8411（NCV841x 系列）的主要特性包括：三端受保護(hù)智能分立 FET；具備溫差熱關(guān)斷和過(guò)溫保護(hù)，支持自動(dòng)重啟；提供過(guò)電流、過(guò)壓保護(hù)，集成漏極至柵極箝位和 ESD 保護(hù)；可通過(guò)柵極引腳進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)和指示。

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(hù)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(jī)械功率開(kāi)關(guān)，可替代后二者。該控制器與一個(gè)或兩個(gè) N 溝道 MOSFET 協(xié)同工作，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(kāi) / 關(guān)狀態(tài)。它的作用是調(diào)節(jié)和保護(hù)汽車(chē)電池（電源），工作電壓 VIN 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(shí)現(xiàn)保護(hù)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和極性反接保護(hù)工作模式。

評(píng)估板（EVB）

NCV68061 和 NCV68261 這兩款理想二極管控制器均可使用評(píng)估板。用戶可利用評(píng)估板在各種配置中測(cè)試控制器，通過(guò)評(píng)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(guò)器件的額定值。通過(guò)附加跳線，可使用評(píng)估板的預(yù)設(shè)布局或使用外部連接信號(hào)來(lái)控制器件。

T10 MOSFET 技術(shù)：40V - 80V 低壓和中壓 MOSFET

T10 是安森美繼 T6/T8 成功之后推出的技術(shù)節(jié)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(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(mén)針對(duì)電機(jī)控制和負(fù)載開(kāi)關(guān)進(jìn)行了優(yōu)化。T10 - S 專為開(kāi)關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，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)。

T10 MOSFET 具有以下優(yōu)點(diǎn)：RDS (ON) 和柵極電荷 QG 整體降低，Rsp（RDS (ON) 相對(duì)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)界的軟恢復(fù)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。設(shè)計(jì)人員可從多種器件技術(shù)和封裝中進(jìn)行選擇，替代設(shè)計(jì)方案是緊湊的 5.1 x 7.5 mm 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(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，或者在 PDU 內(nèi)部并聯(lián)多個(gè) MOSFET，以進(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(jì)人員可以選擇具有先進(jìn)保護(hù)功能（如新的 SmartGuard 功能）的 SmartFET。

晶圓減薄

對(duì)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(duì) 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。