汽車(chē)48V電氣系統(tǒng)解決方案

早期汽車(chē)的 12V 電氣系統(tǒng)只能滿(mǎn)足點(diǎn)火和基本照明需求。隨著現(xiàn)代汽車(chē)引入了電動(dòng)轉(zhuǎn)向、泵和暖通空調(diào)(HVAC)等高能耗設(shè)備，電力需求大幅增加，對(duì) 12V 系統(tǒng)構(gòu)成了挑戰(zhàn)。因此，汽車(chē)行業(yè)正轉(zhuǎn)向 48V 電氣系統(tǒng)，這不僅提高了功率輸出，支持更多高級(jí)功能，還通過(guò)使用更細(xì)的線(xiàn)束和小型連接器，減輕了重量，節(jié)省了成本，為安裝更多電子設(shè)備提供了空間。本文為《48V 電源網(wǎng)趨勢(shì)白皮書(shū)》第二部分，主要介紹方案概述。

方案概述

適用于 48 V 和 12 V 系統(tǒng)的 MOSFET

從傳統(tǒng)汽車(chē)內(nèi)部的簡(jiǎn)單電子控制器， 到電動(dòng)汽車(chē)的安靜驅(qū)動(dòng)， MOSFET 在汽車(chē)的引擎蓋下扮演著至關(guān)重要的角色。小巧但強(qiáng)大的硅分立器件可有效控制電動(dòng)機(jī)、 確保電池充電、 分配電力， 以及保障系統(tǒng)安全。安森美 (onsemi)為 12 V和 48 V 應(yīng)用提供種類(lèi)眾多的 LV 和 MV MOSFET， 設(shè)計(jì)人員可以從提供不同特性的多種器件技術(shù)中自由選擇。

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

T10 是安森美繼 T6 和 T8 成功之后推出的新型技術(shù)節(jié)點(diǎn)。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(zhuān)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。另一方面， T10-S 專(zhuān)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)， 但整體效率更好， 特別是在較高頻率時(shí)。

圖 1：T10 MOSFET 的典型封裝

頂部散熱封裝 (TCPAK57)

MOSFET 憑借出色的功率能力和緊湊的尺寸而受到青睞。然而， 傳統(tǒng)SMD 主要從封裝底部通過(guò) PCB 散熱， 散熱效果并不理想。

為解決這個(gè)問(wèn)題， 并進(jìn)一步縮小應(yīng)用尺寸， 業(yè)界開(kāi)發(fā)了一種新的頂部散熱 MOSFET 封裝， 即讓 MOSFET 的引線(xiàn)框架(漏極) 在封裝的頂部暴露

出來(lái)。這種方法避免了通過(guò) PCB 散熱。TCPAK57 是緊湊型 5.1 x 7.5 mm封裝。

? NVMJST0D9N04C 40V 版本具有最低的 RDS(ON) - 1.07 m? 。

? NVMJST2D6N08H 80V 版本具有最低的 RDS(ON) - 2.8 m? 。

TCPAK57， MOSFET 封裝頂部露出漏極。

MOSFET 技術(shù) – 從成功的 T8 和 T6 到新一代 T10

新型 T10 屏蔽柵極溝槽技術(shù)提高了效率， 降低了輸出電容、 RDS(ON) 和柵極電荷 QG， 改善了品質(zhì)因數(shù)。改進(jìn)的品質(zhì)因數(shù)FOM (RDS x QOSS/QG/QGD) 提升了性能和整體效率。

? 業(yè)界領(lǐng)先的軟恢復(fù)體二極管(Qrr、 Trr)降低了振鈴、過(guò)沖和噪聲。

? T10 技術(shù)成功減小了晶圓厚度，從而將 40V MOSFET 中襯底對(duì) RDS(ON) 的影響從約 50% 減少到 22%。

圖 2：T8 溝槽柵極(傳統(tǒng))與新型 T10 屏蔽柵極的比較

柵極驅(qū)動(dòng)器 – 通過(guò)高效開(kāi)關(guān)降低功率損耗

柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)在有效降低 48 V 汽車(chē)系統(tǒng)的功率損耗方面發(fā)揮著重要作用。面向 48 V 應(yīng)用的安森美柵極驅(qū)動(dòng)器可以將MOSFET 柵極快速充電和放電， 從而顯著降低損耗。

? FAD3151MXA 和 FAD3171MXA 是 110 V、 2.5 A 多功能單通道車(chē)用浮柵驅(qū)動(dòng)器， 適合驅(qū)動(dòng)高達(dá) 110 V 的高速功率MOSFET。

? NCV51513 和 NCV51511 是車(chē)用高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器， 具有高驅(qū)動(dòng)電流能力和選項(xiàng)， 針對(duì) DC-DC 電源和逆變器進(jìn)行了優(yōu)化。驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)用于以半橋或同步降壓架構(gòu)驅(qū)動(dòng) MOSFET。

安森美器件支持 – 仿真模型

使用安森美的 MOSFET 仿真模型對(duì)您的電路進(jìn)行虛擬測(cè)試， 可以減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。這些模型與 SIMetrix、PSpice 和 LTspice 等業(yè)界領(lǐng)先的軟件兼容， 可助您準(zhǔn)確預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)中的 MOSFET 行為。

器件制造商提供的高質(zhì)量模型可以為您帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)：

? 加速設(shè)計(jì)迭代：對(duì)電路性能進(jìn)行虛擬仿真， 無(wú)需實(shí)際構(gòu)建和測(cè)試多個(gè)原型。這可以節(jié)省您寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間和資源。

? 設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性更高：安森美模型真實(shí)再現(xiàn)了各項(xiàng) MOSFET 參數(shù)。更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電路行為， 有助于使設(shè)計(jì)自始至終都更接近預(yù)期性能。這樣可以有效減少生產(chǎn)過(guò)程中代價(jià)高昂的錯(cuò)誤。

? 針對(duì)各種條件進(jìn)行優(yōu)化：在各種條件下(例如溫度變化、 不同負(fù)載) 對(duì)電路性能進(jìn)行仿真分析， 識(shí)別潛在的弱點(diǎn)并確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。

低功耗 DC-DC 轉(zhuǎn)換

NCV8730 寬輸入電壓范圍 LDO

NCV8730 是新一代 CMOS LDO 穩(wěn)壓器， 支持高達(dá) 38 V 的輸入電壓和 150 mA 的輸出電流。僅 1 μA 的超低靜態(tài)電流使該器件成為“始終開(kāi)啟” 應(yīng)用的理想方案。此外還提供出色的負(fù)載/線(xiàn)路瞬態(tài)調(diào)節(jié)功能， 以及可復(fù)位 MCU 的輸出Power-Good 功能?？捎梅庋b：TSOP-5 和 WDFN-6。

?支持汽車(chē)瞬變響應(yīng)

?可抑制浪涌電流以保護(hù) IC

?提供固定和可調(diào)電壓選項(xiàng)：1.2 V 至 24 V

?非常適合“始終開(kāi)啟”的應(yīng)用

?可復(fù)位 MCU 以避免故障

?輸出電流為 150 mA、輸出電壓為 3.3 V 時(shí)，典型壓降為 290 mV

NCV68261 理想二極管和高側(cè)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， 具有可選高側(cè)開(kāi)關(guān)功能， 其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。該器件設(shè)計(jì)用于調(diào)節(jié)和保護(hù)汽車(chē)電池， 工作電壓 VIN 最高可達(dá) 32 V， 并且可以抵御高達(dá) 60 V 拋負(fù)載(負(fù)載突降) 脈沖。

該控制器可通過(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。欲了解有關(guān)極性反接保護(hù)和理想二極管應(yīng)用的更多信息， 請(qǐng)參閱應(yīng)用手冊(cè)：AND90146 - 正確選擇 MOSFET 以實(shí)現(xiàn)極性反接保護(hù)。

圖 3：NCV68261 應(yīng)用原理圖

(理想二極管)

圖 4：NCV68261 應(yīng)用原理圖

(極性反接保護(hù) + 高側(cè)開(kāi)關(guān))

線(xiàn)控轉(zhuǎn)向 – 應(yīng)用示例

交通運(yùn)輸?shù)奈磥?lái)在于先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和潛力十足的全自動(dòng)駕駛汽車(chē)。這些系統(tǒng)采用 48 V 電壓供電， 因?yàn)樾鑷?yán)重依賴(lài)電力來(lái)驅(qū)動(dòng)如下等高耗電配件：

? 電動(dòng)轉(zhuǎn)向：電機(jī)取代傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)， 提升響應(yīng)能力和燃油效率。

? 電子線(xiàn)控系統(tǒng)：電子線(xiàn)控 (X-by-Wire) 是線(xiàn)控轉(zhuǎn)向和線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)的通用名稱(chēng)。這些系統(tǒng)用電信號(hào)控制取代傳統(tǒng)的機(jī)械連桿(方向盤(pán)、 剎車(chē)踏板) ， 為自動(dòng)駕駛汽車(chē)開(kāi)發(fā)提供了更大的靈活性。

然而， 電子線(xiàn)控也對(duì)可靠性、 功能安全和冗余度提出了更高的要求。與 12 V 系統(tǒng)相比， 48 V 系統(tǒng)可使線(xiàn)控轉(zhuǎn)向等高峰值負(fù)載裝置的冗余執(zhí)行器更輕、 更具性?xún)r(jià)比。

NCV77320 – 電感位置傳感器

NCV77320 是一款電感位置傳感器接口器件， 可與 PCB 結(jié)合形成用于精確測(cè)量角度或線(xiàn)性位置的系統(tǒng)。它在冗余應(yīng)用中最高能達(dá)到 ASIL D 安全性等級(jí)， 并可用作線(xiàn)控轉(zhuǎn)向傳感器。如果轉(zhuǎn)速(最大 10 800 RPM) 和輸出協(xié)議匹配， 那么NCV77320 可用于任何需要精確位置檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)和線(xiàn)性應(yīng)用。

? 采用安森美電感技術(shù)可提高 EMC 穩(wěn)健性， 尤其是在直流域。與基于磁鐵的方案不同， 電感技術(shù)的結(jié)構(gòu)可使其免受雜散磁場(chǎng)的影響， 與前者相比， 這是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)， 因?yàn)殡S著汽車(chē)功能電子化， 強(qiáng)直流電流會(huì)越來(lái)越多。

? NCV77320 系統(tǒng)對(duì)溫度變化不敏感。

? 易于實(shí)現(xiàn)冗余：兩個(gè)傳感器可以堆疊， 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)齊。

從保險(xiǎn)絲轉(zhuǎn)向受保護(hù)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)

每輛汽車(chē)都依靠電路網(wǎng)絡(luò)為前燈、 收音機(jī)等各種組件供電。汽車(chē)保險(xiǎn)絲可保護(hù)這些電路和下游負(fù)載免受過(guò)電流的影響并防止火災(zāi)危害。保險(xiǎn)絲的運(yùn)行原理簡(jiǎn)單但至關(guān)重要。它們包含一個(gè)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的燈絲， 給定時(shí)間內(nèi) (I 2 t) 若電流過(guò)大，該燈絲會(huì)熔化， 進(jìn)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(xiǎn)絲的額定電流。

保險(xiǎn)絲燒斷后， 必須更換才能恢復(fù)工作。汽車(chē)的保險(xiǎn)絲盒通常含有 40 多個(gè)一級(jí)和二級(jí)保險(xiǎn)絲。使用受保護(hù)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)取代傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲， 為低壓電網(wǎng)的區(qū)域控制架構(gòu)帶來(lái)了關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。安森美提供 eFuse、 SmartFET 和理想二極管等器件。

具體優(yōu)勢(shì)包括：

?由 MCU 控制連接和斷開(kāi)。

? 可復(fù)位，跳閘后無(wú)需更換保險(xiǎn)絲。靈活的保護(hù)方案和閾值。

? 體積較小，可集成到區(qū)域控制架構(gòu)。

?可以向控制器報(bào)告診斷和狀態(tài);內(nèi)置功能安全(FuSa)特性并可實(shí)現(xiàn)合規(guī)性。

圖 5：4 個(gè) ECU 受 eFuse 保護(hù)的示例

表 1：SmartFET 和 eFuse 方案示例。

NIV3071 65 V AbsMax 、 10 A、 4 通道集成電子保險(xiǎn)絲

NIV3071是一款 60 V DC 、 65 V TR 電子保險(xiǎn)絲， 在一個(gè)封裝中集成了 4 個(gè)獨(dú)立通道。eFuse 支持高達(dá) 10 A 的連續(xù)輸出電流。小型 5x6 mm 封裝。每個(gè)集成 eFuse 都有固定的軟啟動(dòng)時(shí)間。所有通道共用的可配置電流限制。該器件還具有控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)引腳， 適用于 12 V 至 48 V 的廣泛汽車(chē)應(yīng)用。

? 保護(hù)最多 4 個(gè)獨(dú)立的 2.5 A 負(fù)載， 或?qū)?eFuse 配置為單通道保護(hù)， 以驅(qū)動(dòng)高達(dá) 10 A 的單個(gè)連續(xù)負(fù)載電流。

? 非常適合實(shí)現(xiàn)汽車(chē)區(qū)域控制器(區(qū)域控制架構(gòu)) ， 確保整個(gè)車(chē)輛的局部 ECU 受到保護(hù)且穩(wěn)健可靠。

? 保護(hù) 12 V 和 48 V 下游負(fù)載免受輸出短路、 過(guò)載和過(guò)流事件的影響。eFuse 可以通過(guò)構(gòu)建冗余網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高 48V 電氣架構(gòu)的穩(wěn)健性和可靠性。

? 瀏覽應(yīng)用手冊(cè)：NIV3071 eFuse 在汽車(chē)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

? 評(píng)估板 NIV3071MTW4GEVB 支持構(gòu)建設(shè)計(jì)原型和測(cè)試。

NCV84120 自保護(hù)高側(cè) SmartFET

NCV84120 是一款完全受保護(hù)的單通道高端 SmartFET， 可用于切換各種汽車(chē)負(fù)載。

NCV84120 采用了先進(jìn)的保護(hù)功能， 如有源浪涌電流管理、 過(guò)熱關(guān)斷自動(dòng)重啟和過(guò)壓有源箝位。

專(zhuān)用電流檢測(cè)引腳可以監(jiān)控輸出的精確模擬電流， 以及提供 V D 短路、 對(duì)地短路和 OFF 狀態(tài)開(kāi)路負(fù)載檢測(cè)的故障指示。

圖 6：低側(cè) SmartFET 的通用框圖，包括集成的自診斷和保護(hù)電路。

NCV8415 自保護(hù)低側(cè) SmartFET

NCV8415 是一款三端保護(hù)低側(cè)智能分立 FET， 包含差值熱關(guān)斷、 過(guò)流、 過(guò)溫、 ESD 等相關(guān)保護(hù)功能， 以及用于過(guò)壓保護(hù)的集成漏極至柵極箝位。該器件還通過(guò)門(mén)極引腳提供故障指示， 可適用于惡劣的汽車(chē)環(huán)境。

48 V 系統(tǒng)中的系統(tǒng)冗余

如果單個(gè)器件發(fā)生故障， 冗余元件可作為備用， 防止整個(gè)系統(tǒng)中斷。這對(duì)于安全攸關(guān)的系統(tǒng)(例如控制制動(dòng)、 轉(zhuǎn)向和安全氣囊的系統(tǒng)) 尤其重要。汽車(chē)環(huán)境面臨各種挑戰(zhàn)， 包括振動(dòng)、 溫度波動(dòng)、 潛在器件故障和短路風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)施冗余元件有助于提高車(chē)輛電氣架構(gòu)的整體穩(wěn)健性。

安森美為48V應(yīng)用提供了Si MOSFET、柵極驅(qū)動(dòng)器、eFuse等方案，掃碼下載白皮書(shū)查看完整內(nèi)容。