【導(dǎo)讀】汽車智能化與電動(dòng)化的浪潮，正深刻重構(gòu)傳統(tǒng)的分布式電子電氣架構(gòu)。為應(yīng)對(duì)激增的傳感器、高算力域控制器與高壓負(fù)載帶來的復(fù)雜供電挑戰(zhàn)，一種以區(qū)域?yàn)楹诵牡募惺脚潆娂軜?gòu)（Zonal Architecture）正成為行業(yè)共識(shí)。如今的汽車電氣系統(tǒng)，不僅要具備更高的復(fù)雜性，以應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的車輛功能；還需擁有超高的可靠性，保障行車安全；更要能夠處理大幅提升的功率，同時(shí)兼顧能源效率，實(shí)現(xiàn)綠色出行。在此背景下，創(chuàng)新汽車區(qū)控架構(gòu)配電解決方案應(yīng)運(yùn)而生，成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵支撐。
汽車智能化與電動(dòng)化的浪潮，正深刻重構(gòu)傳統(tǒng)的分布式電子電氣架構(gòu)。為應(yīng)對(duì)激增的傳感器、高算力域控制器與高壓負(fù)載帶來的復(fù)雜供電挑戰(zhàn)，一種以區(qū)域?yàn)楹诵牡募惺脚潆娂軜?gòu)（Zonal Architecture）正成為行業(yè)共識(shí)。如今的汽車電氣系統(tǒng)，不僅要具備更高的復(fù)雜性，以應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的車輛功能；還需擁有超高的可靠性，保障行車安全；更要能夠處理大幅提升的功率，同時(shí)兼顧能源效率，實(shí)現(xiàn)綠色出行。在此背景下，創(chuàng)新汽車區(qū)控架構(gòu)配電解決方案應(yīng)運(yùn)而生，成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵支撐。
傳統(tǒng)的集中式配電架構(gòu)依賴于大量的線束和集中式控制單元，由于布線的復(fù)雜性、線束重量和擴(kuò)展性限制，集中式配電架構(gòu)的可行性變得越來越低。
為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)正轉(zhuǎn)向分區(qū)控制電氣系統(tǒng)架構(gòu)。按照這種區(qū)控架構(gòu)概念，車輛的電氣系統(tǒng)被劃分為多個(gè)控制區(qū)，每個(gè)控區(qū)為車輛的特定子系統(tǒng)或區(qū)域供電。
這種分區(qū)設(shè)計(jì)降低了布線復(fù)雜性和線束重量，提高了系統(tǒng)的維護(hù)便利性，并增強(qiáng)了故障隔離能力。然而，分區(qū)架構(gòu)需要?jiǎng)?chuàng)新的配電組件，滿足在嚴(yán)格的汽車標(biāo)準(zhǔn)下，靈活、安全、高效運(yùn)行的要求。
區(qū)控架構(gòu)中的電源軌開關(guān)
電源軌開關(guān) (PRS)是分區(qū)控制架構(gòu)中的一個(gè)關(guān)鍵元件，充當(dāng)一個(gè)可控制的跨多條負(fù)載線的配電節(jié)點(diǎn)。PRS開關(guān)必須支持雙向電流，以適應(yīng)動(dòng)態(tài)電源路由和故障管理場(chǎng)景。電源軌開關(guān)還需要提供穩(wěn)健的安全保護(hù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)快速隔離故障，并保持系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。
意法半導(dǎo)體的STi2Fuse 智能保險(xiǎn)絲為滿足這些挑戰(zhàn)性要求而專門設(shè)計(jì)，集成了先進(jìn)的軟硬件功能，實(shí)現(xiàn)精確控制、實(shí)時(shí)診斷和快速故障響應(yīng)。
本文討論的PRS開關(guān)解決方案利用四個(gè)采用背靠背 (B2B) 配置的 STi2Fuse 器件構(gòu)成雙向電源開關(guān)，能夠處理兩條不同的輸電路徑，在 48V 電壓下，電流高達(dá) 150A。
這種 B2B MOSFET 配置在關(guān)斷狀態(tài)下提供對(duì)稱電壓阻斷能力，在導(dǎo)通狀態(tài)下支持雙向電流傳輸，有效地復(fù)制了理想雙向電源開關(guān) (BPS) 的工作特性。
1. 雙向電源開關(guān)（BPS）概念
BPS是一個(gè)有源開關(guān)，在導(dǎo)通時(shí)，可以雙向傳導(dǎo)電流；在關(guān)斷時(shí)，可以雙向阻止電流（圖 1）。
圖 1 雙向電源開關(guān)簡(jiǎn)圖
在 BPS 的理想簡(jiǎn)圖中，線路 L 和線路 R兩條線路是可互換的輸入端和輸出端。
圖2和圖3所示分別是導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)下的BPS特性圖。
圖2：導(dǎo)通狀態(tài)下的BPS特性圖
圖3：關(guān)斷狀態(tài)下的BPS特性圖
通過共用漏極和背靠背 (B2B)配置，兩個(gè)N 溝道 MOSFET開關(guān)管構(gòu)成一個(gè)BPS開關(guān)(圖4)。
圖 4：在B2B配置中的兩個(gè) N 溝道 MOSFET
該配置提供與BPS類似的對(duì)稱關(guān)斷狀態(tài)阻斷特性。通過驅(qū)動(dòng)電路控制柵極G1和G2，可以創(chuàng)建一條可控雙向線路，如圖5所示：
圖 5： 可控雙向線路示意圖。
柵極驅(qū)動(dòng)器確保開關(guān)和保護(hù)控制精確，使 B2B 配置成為汽車配電應(yīng)用的理想選擇。
2. 電源軌開關(guān) (PRS) 的實(shí)現(xiàn)方法
如圖 6 所示，PRS配置的實(shí)現(xiàn)方法是采用兩條共用連接節(jié)點(diǎn)的雙向線路，并使用 STi2Fuse 控制器 VNF1248F 驅(qū)動(dòng) MOSFET 柵極。
圖6： 電源軌開關(guān)示意圖。
四個(gè) VNF1248F 器件控制柵極信號(hào)和保護(hù)機(jī)制，以確保開關(guān)在故障條件下安全運(yùn)行，安全保護(hù)功能包括：
? 過流（OVC）保護(hù)和硬短路（HSC）保護(hù)，用于檢測(cè)電流異常事故。
? 電流時(shí)間鎖斷保護(hù)，用于模擬保險(xiǎn)絲功能，可通過 SPI（串行外設(shè)接口）配置該功能的全部參數(shù)。
? 熱管理功能，用于啟動(dòng)外部 MOSFET開關(guān)管的過熱關(guān)斷功能。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
測(cè)量硬件是一個(gè)三層疊裝電路板：
? 一個(gè)預(yù)裝專用固件的微控制器板
? 一塊安裝STi2Fuse控制器的驅(qū)動(dòng)板
? 一塊集成MOSFET 的功率板。
圖形用戶界面 (GUI)軟件用于設(shè)置四個(gè) VNF1248F 控制器，并提供實(shí)時(shí)診斷反饋。
圖7所示是驅(qū)動(dòng)板。
圖 7：PRS 控制器評(píng)估板。
當(dāng)兩條電源軌都出現(xiàn)短路時(shí)，VNF1248F器件將會(huì)做出反應(yīng)，保護(hù)負(fù)載的安全。反應(yīng)時(shí)間會(huì)隨著過電流增大而縮短，智能保險(xiǎn)絲內(nèi)的 I2t 曲線配置決定反應(yīng)時(shí)間。
表1列出了主要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
表1：智能保險(xiǎn)絲反應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
I2t 保護(hù)測(cè)試表明，當(dāng)發(fā)生高電流故障(最高85A)時(shí)，最小反應(yīng)時(shí)間是10微秒，證實(shí) PRS 能夠快速斷開故障線路，同時(shí)保持系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。
如圖 8 所示，當(dāng)只有一條電源軌(L2)出現(xiàn)短路時(shí)，VNF1248F器件就會(huì)隔離這條故障電源軌，保護(hù)負(fù)載的安全，同時(shí)，另一條正常的電源軌 (L1)繼續(xù)供電，維持負(fù)載功能正常運(yùn)行。
圖8 ：電源軌硬短路保護(hù)（L2）。
測(cè)試分三步進(jìn)行：
第一步：正常工作
? L1 和 L2兩條電源軌都運(yùn)行正常。
? 連到電路的燈亮，表明電流傳輸正常。
? 智能保險(xiǎn)絲 1 和 3 的柵極都處于工作狀態(tài)，允許電流流動(dòng)。
第二步：L2發(fā)生硬短路
? L2突然接地（硬短路）
? 智能保險(xiǎn)絲 3 檢測(cè)到短路后鎖斷，強(qiáng)制柵極拉低電平，阻斷電流，保護(hù)電路。
第三步：故障隔離
? 智能保險(xiǎn)絲 3 將 L2 斷開，有效隔離短路。
? 系統(tǒng)的其余部分仍然受到保護(hù)并正常運(yùn)行
? 正常電源軌（L1）繼續(xù)為燈供電，燈保持點(diǎn)亮，這個(gè)測(cè)試演示了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力和選擇性保護(hù)功能。
圖 9 所示是在L2 硬短路事件期間測(cè)得的電壓和電流波形。
圖9：在L2線路硬短路事件期間測(cè)量的波形。
盡管 L2 發(fā)生故障，但是正常的電源軌 (L1) 保持穩(wěn)定的電壓和電流，確保持續(xù)向負(fù)載供電（燈保持點(diǎn)亮），這證明在維持系統(tǒng)運(yùn)行和防止故障方面，雙向電源開關(guān)和智能保險(xiǎn)絲配置是有效的。
結(jié)論
本文介紹了一種創(chuàng)新的汽車區(qū)控架構(gòu)配電解決方案，該方案利用意法半導(dǎo)體的 STi2Fuse 智能保險(xiǎn)絲，配合背靠背 MOSFET配置，實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙向電源軌開關(guān)(PRS)。該P(yáng)RS解決方案配電靈活、安全，具有對(duì)稱電壓阻斷和雙向電流功能。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方案的故障檢測(cè)速度快，隔離時(shí)間低至 10 微秒，負(fù)載保護(hù)能力穩(wěn)健，系統(tǒng)穩(wěn)定性出色，可以有效滿足現(xiàn)代汽車電氣系統(tǒng)不斷變化的需求，為下一代區(qū)控架構(gòu)帶來更高的可靠性、可擴(kuò)展性和安全性。
參考文獻(xiàn)
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