车辆区域控制架构关键技术——趋势篇

【导语】随着软件定义汽车（SDV）时代的到来，汽车制造商正加速创新，推动区域控制架构的发展。该架构通过集成受保护的半导体开关，如电子保险丝和SmartFET，显著提高了功能安全性。本文将深入探讨电动汽车低压配电系统的区域控制架构，介绍关键组件如电源分配单元（PDU）和区域控制器（ZCU），并重点分析受保护半导体开关的应用优势及安森美提供的先进解决方案，助力汽车制造商实现更高效、安全的电力管理。

向软件定义汽车 (SDV) 的转型促使汽车制造商不断创新，在区域控制器中集成受保护的半导体开关。电子保险丝和 SmartFET 可为负载、传感器和执行器提供保护，从而提高功能安全性，更好地应对功能故障情况。不同于传统的域架构，区域控制架构采用集中控制和计算的方式，将分散在各个 ECU 上的软件统一交由强大的中央计算机处理，从而为下游的电子控制和配电提供了更高的灵活性。

系统描述

电动汽车中的低压配电

低压 (LV) 电网在所有车型中都起着关键作用。 区域控制架构也部署在混合动力系统中， 此处仅重点介绍电动汽车的区域控制架构。 如下面的框图所示， 电力来自高压 (HV) 电池组（通常为 400 V 或 800 V 电池架构） 。 HV-LV DC-DC 转换器将高压降压， 为 LV 网络供电， 通常为48 V 或 12 V 电池架构。 有的汽车只有一种 LV 电池， 有的有两种电池， 每种电池使用单独的转换器， 因制造商和汽车型号而异。

低压配电系统的主要器件

48 V 和 12 V 电网可能共存于同一辆车中，因此 HV-LV 转换器可以直接为 48 V 电池供电，而额外的 48V - 12V 转换器可以充 当 中 间 降 压 级 。 在 集 中 式 L V 配 电 模 式 中 ， 单 个 较 大 的 4 8V - 1 2 V 转 换 器 （ 约 3 k W ） 为 1 2 V 电 池 充 电 。

相较之下，区域控制架构采用分布式方法，在区域控制器 (ZCU) 内嵌入多个较小的 DC-DC 转换器。

使用单独的电源分配单元 (PDU) 和 ZCU 时， 电力从电源流过 PDU 和 ZCU， 到达特定区域内的各个负载。 PDU 位于 ZCU之前， 也可以直接为大电流负载供电。 ZCU 则负责为车辆指定区域内的大多数负载分配电力。 下面的框图直观地呈现了该电力流及不同的实现方案。

目前市场上主要有以下两种方法：

一体式 PDU 和 ZCU：将 PDU 和 ZCU 功能集成在单个模块中。

分离式 PDU 和 ZCU：使用独立的 PDU 和 ZCU 单元。

从刀片式保险丝转向受保护半导体开关

长期以来，汽车保险丝一直是保护电路和下游负载免受过电流影响的标准方案，以免过电流引起火灾。传统刀片式保险丝的工作原理简单而关键：其中包含一个经过校准的灯丝，特定时间内 (I2t) 若电流过大，灯丝会熔化，从而使电路开路并中断电流。所选择的灯丝材料及其横截面积决定了保险丝的额定电流。

随着区域控制架构的采用， 整车厂商和一级供应商越来越多地用受保护的半导体开关来取代刀片式保险丝， 大大提高了功能安全性。 不同于传统保险丝（熔断后必须更换） ， 受保护的半导体开关能够(gòu)复(fù)位(wèi)，发(fā)生(shēng)跳(tiào)闸(zhá)事(shì)件(jiàn)后(hòu)无需更换， 因此更加先进。 安森美（onsemi）提供三种类型的此类开关：电子保险丝、 SmartFET 和理想二极管控制器(qì)。

此(cǐ)类(lèi)新(xīn)型(xíng)器(qì)件(jiàn)具(jù)有(yǒu)以(yǐ)下(xià)应(yīng)用(yòng)优(yōu)势(shì)：

加(jiā)强(qiáng)负(fù)载(zài)保(bǎo)护(hù)和(hé)安(ān)全性(xìng)：发(fā)生(shēng)短(duǎn)路时(shí)，会(huì)启(qǐ)用(yòng)智(zhì)能(néng)重(zhòng)试(shì)机(jī)制(zhì)和(hé)快(kuài)速(sù)瞬(shùn)态(tài)响(xiǎng)应(yīng)，有(yǒu)助(zhù)于(yú)限(xiàn)制(zhì)电(diàn)流(liú)过(guò)冲(chōng)。灵(líng)活(huó)性(xìng)大(dà)大(dà)提(tí)升(shēng)，有(yǒu)助(zhù)于(yú)提(tí)高(gāo)功(gōng)能(néng)安(ān)全性(xìng)，更(gèng)好(hǎo)地(de)应(yīng)对(duì)功(gōng)能(néng)故(gù)障(zhàng)情(qíng)况(kuàng)。

易(yì)于(yú)集成(chéng)：此(cǐ)类(lèi)开(kāi)关可(kě)通(tōng)过(guò)微(wēi)控(kòng)制(zhì)器(qì) (MCU) 轻(qīng)松集成到更大的系统中，提供配置、诊断和状态报告功能。

可复位：与传统保险丝不同，此类开关在跳闸后无需更换，可实现灵活的保护方案和阈值调整。

尺寸紧凑：器件尺寸变小后，更利于集成到区域控制架构中，节省空间并简化车辆线束。

方案概述

电源分配单元 (PDU) – 框图

电源分配单元 (PDU) 是车辆区域控制架构中的关键组件， 在配(pèi)电(diàn)层(céng)次(cì)结(jié)构(gòu)中(zhōng)承(chéng)担(dān)初(chū)始(shǐ)配(pèi)电的作用。 PDU 连接到车辆的低压(LV) 电池（通常为 12V 或 48V） 或者 HV-LV DC-DC 转换器(qì)的(de)输(shū)出(chū)端(duān)， 由(yóu)转(zhuǎn)换(huàn)器(qì)将(jiāng)高(gāo)压(yā) (HV) 电(diàn)池(chí)的(de)电(diàn)压(yā)降(jiàng)低(dī)。

PDU 可(kě)将(jiāng)电(diàn)力(lì)智(zhì)能(néng)分(fēn)配(pèi)至(zhì)车(chē)内(nèi)的(de)各(gè)个(gè)区(qū)域， 确(què)保(bǎo)高(gāo)效(xiào)可(kě)靠(kào)的(de)电(diàn)源(yuán)管(guǎn)理(lǐ)。 PDU 可(kě)直(zhí)接(jiē)为(wèi)大(dà)电(diàn)流(liú)负(fù)载(zài)供(gōng)电， 也可将电力分配给多个区域控制器 (ZCU)。 ZCU 则在各自区域内进一步管理配电， 从而大大减轻了线束的重量和复杂性。 目前有多种方案可供选择， 能够满足不同汽车制造商及其车型的特定要求。 下面的框图简要展示了 PDU 的组成结构：

用于上桥和下桥保护的 SmartFET

下桥 SmartFET - NCV841x“F”系列

安森美提供两种系列的下桥 SmartFET：基础型 NCV840x 和增强型 NCV841x。这两个系列的引脚相互兼容，且采用相同的封装。 NCV841x 改进了 RSC 和短路保护性能，可显著延长器件(jiàn)的(de)使(shǐ)用(yòng)寿(shòu)命(mìng)。 NCV841x SmartFET 采用(yòng)了(le)温(wēn)差(chà)热(rè)关断(duàn)技(jì)术(shù)，可(kě)有(yǒu)效(xiào)防(fáng)止(zhǐ)高热瞬变对器件的破坏，确(què)保(bǎo)优(yōu)异(yì)的(de) RSC 性能。

NCV841x 系列具有非常平坦的温度系数，可在 -40℃ 至 125℃ 的温度范围内保持一致的电流限制。由于基本不受温度影响，因此无需为应对寒冷天气条件下的电流(liú)增(zēng)大(dà)而(ér)选(xuǎn)择(zé)更(gèng)粗(cū)的(de)电(diàn)线(xiàn)。电(diàn)线(xiàn)尺(chǐ)寸(cùn)减(jiǎn)小(xiǎo)有(yǒu)助(zhù)于(yú)降(jiàng)低(dī)车(chē)辆(liàng)线(xiàn)束(shù)的(de)成(chéng)本(běn)和(hé)占(zhàn)用(yòng)空(kōng)间(jiān)。

NCV8411（NCV841x 系(xì)列(liè)） 的(de)主要(yào)特(tè)性(xìng)：

三(sān)端(duān)受(shòu)保(bǎo)护(hù)智(zhì)能(néng)分(fēn)立(lì) FET

温(wēn)差(chà)热(rè)关断(duàn)和(hé)过(guò)温(wēn)保(bǎo)护(hù)， 支(zhī)持(chí)自(zì)动(dòng)重(zhòng)启(qǐ)

过(guò)电(diàn)流(liú)、 过(guò)压(yā)保(bǎo)护(hù)， 集成(chéng)漏(lòu)极(jí)至(zhì)栅(zhà)极(jí)箝(qián)位(wèi)和(hé) ESD 保(bǎo)护(hù)

通(tōng)过(guò)栅(zhà)极(jí)引(yǐn)脚(jiǎo)进(jìn)行(xíng)故(gù)障(zhàng)监(jiān)测(cè)和(hé)指(zhǐ)示(shì)

图(tú) 1： NCV841x SmartFET 框(kuāng)图(tú)，包括自(zì)我(wǒ)诊(zhěn)断(duàn)和(hé)保(bǎo)护(hù)电(diàn)路

理(lǐ)想(xiǎng)二(èr)极(jí)管(guǎn)和(hé)上(shàng)桥(qiáo)开(kāi)关 NMOS 控(kòng)制(zhì)器(qì)

NCV68261 是(shì)一(yī)款(kuǎn)极(jí)性(xìng)反(fǎn)接(jiē)保(bǎo)护(hù)和(hé)理(lǐ)想(xiǎng)二(èr)极(jí)管(guǎn) NMOS 控(kòng)制(zhì)器(qì)， 具(jù)有(yǒu)可(kě)选(xuǎn)的(de)上(shàng)桥(qiáo)开(kāi)关功(gōng)能(néng)， 损(sǔn)耗(hào)和(hé)正(zhèng)向(xiàng)电(diàn)压(yā)均(jūn)低(dī)于(yú)功(gōng)率(lǜ)整(zhěng)流(liú)二(èr)极(jí)管(guǎn)和(hé)机(jī)械(xiè)功(gōng)率(lǜ)开(kāi)关， 可(kě)替(tì)代(dài)后(hòu)二(èr)者(zhě)。 这(zhè)款(kuǎn)控(kòng)制(zhì)器(qì)与(yǔ)一(yī)个(gè)或(huò)两(liǎng)个(gè) N 沟(gōu)道(dào) MOSFET 协(xié)同(tóng)工(gōng)作(zuò)， 并(bìng)根(gēn)据(jù)使(shǐ)能(néng)引(yǐn)脚(jiǎo)的(de)状(zhuàng)态(tài)和(hé)输(shū)入(rù)至(zhì)漏(lòu)极(jí)的(de)差(chà)分(fēn)电压极性， 设置晶体管的开/关状态。 它的作用是调节和保护汽(qì)车(chē)电(diàn)池(chí)（电(diàn)源(yuán)） ， 工(gōng)作(zuò)电(diàn)压(yā) VIN 最(zuì)高(gāo)可(kě)达(dá)32 V， 并(bìng)且(qiě)可(kě)以(yǐ)抵(dǐ)御(yù)高(gāo)达 60 V 抛负载（负载突降） 脉冲。 NCV68261 采用非常小的 WDFNW-6 封装， 能够在很小的空间内实现保护功能。

这款控制器可通过漏极引脚轻松控制， 支持理想二极管工作模式（图 2） 和极性反接保护工作模式（图 3） 。 

图 2： NCV68261 应用原理图（理想二极管）

图 3： NCV68261 应用原理图（极性反接保护 + 上桥开关）

评估板 (EVB)

以下两款理想二极管控制器均可使用评估板： NCV68061 和 NCV68261。 用户可利用评估板在各种配置中测试控制器， 可通过评估板上的跳线设置所需的保护模式。 连接的电源电压应在 -18 V 至 45 V 之间， 不得超过器件的最大额定值。 通过附加跳线， 可使用评估板的预设布局或使用外部连接信号来控制器件。

图 4： NCV68261 评估板

T10 MOSFET 技术： 40V-80V 低压和中压 MOSFET

T10 是安森美继 T6/T8 成功之后推出的最新技术节点。 新的屏蔽栅极沟槽技术提高了能效， 降低了输出电容、 RDS(ON)和栅极电荷 QG， 改善了品质因数。 T10-M 采用特定应用架构， 具有极低的 RDS(ON)和软恢复体二极管， 专门针对电机控制和负载开关进行了优化。 另一方面， T10-S 专为开关应用而设计， 更加注重降低输出电容。 虽然会牺牲少量的RDS(ON)， 但整体能效更好， 特别是在较高频率时。

RDS(ON)和栅极电荷 QG 整体降(jiàng)低(dī)， Rsp（RDS(ON)相(xiāng)对(duì)于(yú)面(miàn)积(jī)）更(gèng)低(dī)

在 40V 器件中， NVMFWS0D4N04XM 具有很低的RDS(ON)， 仅为 0.42mΩ。

在 80V 器件中， NVBLS0D8N08X 具有很低的RDS(ON)， 仅为 0.8mΩ。

改进的 FOM (RDS x QOSS/QG/QGD) 提高了性能和整体能效。

业界领先的软恢复体二极管（Qrr、 Trr）降低了振铃、过冲和噪声。

安森美为 12 V、 48 V PDU 和 ZCU 提供多种 LV 和 MV MOSFET。 可通过表 1 所列产品系列进一步了解安森美提供的方案。

有多种器件技术和封装供设计人员选择。 替代设计方案是紧凑的 5.1 x 7.5 mm TCPAK57 顶部散热封装， 可通过封装顶部的裸露漏极进行散热。

PDU 中的电流水平明显高于单个 ZCU 内部的电流水平， 因此可考虑采用 RDS(ON)低于 1.2 mΩ 的分立式 MOSFET 方案。 另一种方案是在 PDU 内部并联多个 MOSFET， 可进一步提升电流承载能力。 在电流消耗较低的 ZCU 内部， 设计人员可以选择具有先进保护功能（如新的 SmartGuard 功能） 的 SmartFET。

表 1：推荐安森美 MOSFET（适用于 12 V 和 48 V 系统）

图 5： T10 MOSFET（底部散热）和替代方案TCPAK57（顶部散热）的常规封装

晶圆减薄

对于低压 FET， 衬底电阻可能占RDS(ON)的很大一部分。 因此， 随着技术的进步， 使用较低电阻率的衬底和减薄(báo)晶圆变得至关重要。 在 T10 技术(shù)中(zhōng)， 安(ān)森美成功减小了晶圆厚度， 从而将 40V MOSFET 中衬底对 RDS(ON)的贡献从约 50% 减少到 22%。 更薄的衬底也提高了器件的热性能。