來(lái)源：英飛凌汽車(chē)電子生態(tài)圈；作者：英飛凌

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)電動(dòng)化和智能化的推進(jìn)，未來(lái)汽車(chē)配電架構(gòu)需要更高的安全性，可靠性和靈活性。智能配電架構(gòu)通過(guò)采用半導(dǎo)體器件(比如電子保險(xiǎn)絲) 替代機(jī)械保險(xiǎn)絲和繼電器，實(shí)現(xiàn)了可靠的配電，快速的隔離，精確的控制，和豐富的診斷功能，是未來(lái)智能配電架構(gòu)不可或缺的組件。

傳統(tǒng)的配電架構(gòu)是什么？

傳統(tǒng)的配電架構(gòu)主要依賴(lài)于機(jī)械式元器件，比如機(jī)械保險(xiǎn)絲和繼電器，通過(guò)插入式或者 PCB 控制器盒完成電源分配。這種傳統(tǒng)的電氣架構(gòu)和控制邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單。具體來(lái)看，通常包括一級(jí)配電和二級(jí)配電。一級(jí)配電靠近電源，通常放置于發(fā)動(dòng)機(jī)艙中。二級(jí)配電可以是多個(gè)配電盒，通常放置于駕駛艙、儀表盤(pán)、或后備箱。

圖1 傳統(tǒng)的配電架構(gòu)

圖2 配電盒

傳統(tǒng)的配電盒由機(jī)械保險(xiǎn)絲和繼電器組成，簡(jiǎn)單成本效益高，但存在一些明顯的局限性。比如，保險(xiǎn)絲熔斷后無(wú)法重置，且其熔斷時(shí)間長(zhǎng)，受環(huán)境溫度和壽命老化影響大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)“什么時(shí)候斷，什么時(shí)候不斷”的精確控制，更無(wú)法提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷功能。

未來(lái)智能配電架構(gòu)的需求是什么？

隨著整車(chē)電子電氣架構(gòu)的發(fā)展，智能駕駛功能要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的配電架構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代整車(chē)智能化，電動(dòng)化和互聯(lián)化的要求。這些不足促使汽車(chē)行業(yè)向更高效、更可靠、更智能的配電方案轉(zhuǎn)型，從而具有更快的反應(yīng)速度，更高的保護(hù)精度和更全面的監(jiān)測(cè)功能。傳統(tǒng)的機(jī)械保險(xiǎn)絲和繼電器無(wú)法滿足未來(lái)的整車(chē)智駕場(chǎng)景，例如：

案例1 主動(dòng)變道功能

通過(guò)車(chē)輛的雷達(dá)，攝像頭等傳感器檢測(cè)周?chē)h(huán)境。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到條件安全時(shí)，可自動(dòng)執(zhí)行變道操作。如果傳感器、攝像頭等關(guān)鍵部件供電失效而無(wú)法正常工作，可能導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)到相鄰車(chē)道的空閑狀態(tài)或障礙物，從而引發(fā)非預(yù)期變道，增加與相鄰車(chē)道車(chē)輛碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 來(lái)自 UNECE R157

案例2 全速自適應(yīng)巡航功能

能夠在車(chē)速 0-180km/h 的范圍內(nèi)，甚至在城市擁堵路況下，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整車(chē)速來(lái)保持與前車(chē)的安全距離，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排隊(duì)和跟車(chē)。自適應(yīng)巡航結(jié)合了傳感器技術(shù)，能夠感知前方車(chē)輛的狀態(tài)，并通過(guò)控制油門(mén)和剎車(chē)來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)加速、減速和跟車(chē)功能。例如，機(jī)械保險(xiǎn)絲或者繼電器配電通道故障無(wú)法快速關(guān)斷，導(dǎo)致同一配電網(wǎng)絡(luò)中剎車(chē)模塊突然供電不足而無(wú)法正常工作，車(chē)輛無(wú)法自動(dòng)調(diào)整速度以保持與前車(chē)的安全距離，從而造成追尾事故。

圖4 來(lái)自 ISO21448

案例3 自動(dòng)解鎖功能

在汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)要求自動(dòng)解鎖車(chē)門(mén) (法規(guī) ECE R94/R95)，一般乘客能夠迅速逃生，同時(shí)方便救援人員進(jìn)入車(chē)內(nèi)施救。如果碰撞導(dǎo)致保險(xiǎn)絲或者繼電器松動(dòng)或脫落，從而中斷供電回路，使得自動(dòng)解鎖功能無(wú)法正常工作，嚴(yán)重影響救援。

綜上所述，自動(dòng)駕駛系統(tǒng) (如 SAE J3016：2021 中定義的 Level 3 至 Level 5 級(jí)別) 和完全線控系統(tǒng) (如線控制動(dòng)、線控轉(zhuǎn)向) 對(duì)整車(chē)配電網(wǎng)絡(luò)提出了新需求：

配電網(wǎng)絡(luò)的可用性 fail operational

故障配電快速隔離 faulty power isolation，以確保在多點(diǎn)故障情況下仍能保持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定的工作

德國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)在ISO26262的大框架下，2023 年 4 月推出了指導(dǎo)性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)VDA 450，旨在提供滿足自動(dòng)駕駛系統(tǒng)及線控系統(tǒng)的整車(chē)冗余供電網(wǎng)絡(luò)的功能安全要求的設(shè)計(jì)指南。

機(jī)械保險(xiǎn)絲或者繼電器在發(fā)生過(guò)載或者短路時(shí)，可能需要幾百毫秒甚至幾秒鐘的時(shí)間才能熔斷 (如下圖），無(wú)法滿足智能配電快速切斷和故障隔離的要求，導(dǎo)致系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性，大大降低了車(chē)輛的可靠性和安全性。

圖5 機(jī)械保險(xiǎn)絲發(fā)生過(guò)載時(shí)的反應(yīng)

智能配電架構(gòu)是什么形式？

智能配電架構(gòu)通過(guò)采用 半導(dǎo)體器件 (高邊開(kāi)關(guān)芯片、efuse 芯片、MOSFET)，逐步取代機(jī)械保險(xiǎn)絲和繼電器，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備供電，狀態(tài)采集，智能檢測(cè)，故障快速隔離和用電管理的集成化。通過(guò)智能化和模塊化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更高效、安全和靈活的配電網(wǎng)絡(luò)，提供了系統(tǒng)的可靠性，還降低了線束冗余設(shè)計(jì)。

圖6 智能配電架構(gòu)

同時(shí)，智能配電架構(gòu)從傳統(tǒng)的集中式配電逐步轉(zhuǎn)向分布式架構(gòu)。集中式配電是將電能從電池分配到各個(gè)負(fù)載系統(tǒng)，而分布式架構(gòu)則通過(guò)多個(gè)小配電中心實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制。這種分布式架構(gòu)能夠優(yōu)化車(chē)輛的電氣性能，減少線束連接數(shù)量，提高系統(tǒng)的可靠性。

圖7 分布式配電趨勢(shì)

電子保險(xiǎn)絲是智能配電系統(tǒng)的核心元件，它集成了保護(hù)和開(kāi)關(guān)功能，能夠?qū)崟r(shí)診斷，自動(dòng)復(fù)位，快速響應(yīng)，I2t/I-t 線束保護(hù)，并支持 OTA 升級(jí)。電子保險(xiǎn)絲還支持低功耗負(fù)載供電和自恢復(fù)功能，提升了配電網(wǎng)絡(luò)的安全性和效率。如下圖所示，與傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲相比，電子保險(xiǎn)絲能夠提供更精確，靈活的保護(hù)機(jī)制，更好的服務(wù)于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和完全線控系統(tǒng)的配電安全需求。

圖8 電子保險(xiǎn)絲

電子保險(xiǎn)絲如何適配未來(lái)智能配電架構(gòu)的需求？

電子保險(xiǎn)絲在未來(lái)智能配電架構(gòu)中扮演了至關(guān)重要的角色，通過(guò)其高效可靠、精確控制、快速響應(yīng)、靈活配置、智能監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，顯著提升了汽車(chē)配電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，推動(dòng)了汽車(chē)智能駕駛高階化進(jìn)程。

隨著汽車(chē)電動(dòng)化和智能化程度的提供，電子保險(xiǎn)絲的應(yīng)用場(chǎng)景將更加廣泛，如下圖所示，其穩(wěn)定的性能和靈活的配置使其成為汽車(chē)智能配電架構(gòu)的重要組件。

圖9 電子保險(xiǎn)絲的應(yīng)用場(chǎng)景

LCSP (負(fù)載控制和自我保護(hù))：

打開(kāi)和關(guān)閉負(fù)載，并實(shí)現(xiàn)芯片自我保護(hù)。主要是替換原來(lái)繼電器的應(yīng)用場(chǎng)景。可放置在配電盒或者直驅(qū)負(fù)載。

LSP (負(fù)載供電保護(hù))：

保護(hù)連接到輸出的電源基礎(chǔ)設(shè)施。一個(gè)典型的應(yīng)用，攝像頭控制器是由數(shù)據(jù)同軸電纜連接，在此同軸電纜中有濾波器放置在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)和電源側(cè)。濾波器對(duì)于電流尖峰很敏感，需要特別的保護(hù)策略來(lái)避免損壞，比如電流鉗位保護(hù)機(jī)制。

PCI (電源連接和隔離)：

為了支持自動(dòng)駕駛的可靠電源，需要冗余配電。大多數(shù)的情況，只有一個(gè)能源發(fā)電機(jī)來(lái)給若干個(gè)電池充電。所以?xún)蓚€(gè)電池會(huì)連接在一起，連接到發(fā)電機(jī)。如果有一個(gè)電源失效，PCI模塊需要快速斷開(kāi)失效電源，避免故障傳播，確保冗余電源的獨(dú)立性。PCI模塊也會(huì)被使用在高要求系統(tǒng)，比如自動(dòng)駕駛模塊配電，需要冗余配電。

BP (電源保護(hù))：

在整車(chē)上，新的電源技術(shù)將會(huì)被應(yīng)用，比如鋰電池。鋰電池對(duì)于短路或者過(guò)充是非常敏感的。在配電系統(tǒng)中故障發(fā)生，需要智能開(kāi)關(guān)快速斷開(kāi)來(lái)保護(hù)電源。

DX (數(shù)據(jù)交換)：

提供相應(yīng)的配電數(shù)據(jù)給微控制器，配電數(shù)據(jù)比如電壓、電流、溫度。云端也可根據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)分析系統(tǒng)性能。

WP (線束保護(hù))：

線束過(guò)流保護(hù)，避免線束過(guò)溫?fù)p壞。主要是替換原來(lái)機(jī)械保險(xiǎn)絲的應(yīng)用場(chǎng)景。

PSP (電源保護(hù))：

隔離負(fù)載錯(cuò)誤傳播到配電。為了支持自動(dòng)駕駛的可靠電源，智能開(kāi)關(guān)是必須的，避免非功能安全相關(guān)的負(fù)載配電錯(cuò)誤，產(chǎn)生級(jí)聯(lián)錯(cuò)誤，從而影響功能安全相關(guān)負(fù)載配電。

ADP (駐車(chē)常配電)：

整車(chē)在駐車(chē)和休眠狀態(tài)下，有些負(fù)載仍需要配電，比如無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)。除此之外，需要配電芯片自身靜態(tài)功耗低，以避免電池饋電，同時(shí)如果發(fā)生短路等故障，保護(hù)功能需要激活。

VCI (電壓轉(zhuǎn)換和隔離)：

為了支持 48V 應(yīng)用，發(fā)電機(jī)會(huì)應(yīng)用在 48V 上，需要 48V-12V DC/DC 模塊。如果 DC/DC 模塊發(fā)生故障，智能開(kāi)關(guān)需要快速斷開(kāi) 48V 配電域和 12V 配電域的連接，從而避免 12V 配電系統(tǒng)的損壞。

頗具挑戰(zhàn)的是，當(dāng)前行業(yè)對(duì)相關(guān)失效分析考慮的維度不充分，但好在 VDA 450給出了完整的考慮點(diǎn)：既關(guān)注兩路供電通道之間的獨(dú)立性，又關(guān)注單個(gè)通道內(nèi)部不同負(fù)載之間的潛在干擾。而在這兩個(gè)維度上，都需要謹(jǐn)慎地考慮短路故障所造成相關(guān)失效。有一種故障表現(xiàn)我們不得不考慮，當(dāng)某個(gè)負(fù)載發(fā)生短路故障時(shí)，由于短路電流非常大，整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)的電壓會(huì)被瞬間拉低，其他 ZCU/ECU 可能因?yàn)殡妷哼^(guò)低而無(wú)法工作。該欠壓以及該控制單元的所有其他相關(guān)故障不會(huì)導(dǎo)致在同一電源的其他通道違反安全相關(guān)功能 (例如環(huán)境感知、邏輯、執(zhí)行器) 的安全要求。這個(gè)時(shí)候快速反應(yīng)就是重中之重！

圖10 在供電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷的關(guān)鍵設(shè)計(jì)

英飛凌的智能配電解決方案

英飛凌的智能功率開(kāi)關(guān)覆蓋了未來(lái)汽車(chē)智能配電架構(gòu)的所有應(yīng)用場(chǎng)景，如下圖所示。英飛凌的智能功率開(kāi)關(guān)不僅能夠替代機(jī)械保險(xiǎn)絲和繼電器，而且提供額外的高級(jí)功能，包括診斷和電流檢測(cè)、更高的可靠性和重啟可能性。當(dāng)驅(qū)動(dòng)不同類(lèi)型的負(fù)載時(shí)，它們提供出色的短路、過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子系統(tǒng)中，特別是分布式電源架構(gòu)和智能配電網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮了重要的作用，提升了整車(chē)的可靠性和安全性。

圖11 英飛凌智能功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景

英飛凌的智能功率開(kāi)關(guān)產(chǎn)品組合包括低邊和高邊開(kāi)關(guān)，可作為單通道和多通道器件，適用于廣泛的 12V、24V和 48V 汽車(chē)應(yīng)用。憑借汽車(chē)質(zhì)量認(rèn)證和先進(jìn)的功能， 英飛凌的智能功率開(kāi)關(guān)是高性能、可靠性和支持功能安全要求的汽車(chē)應(yīng)用的理想選擇。

PROFET智能高邊開(kāi)關(guān)包括 POFET+2、POWER PROFET+、PROFET+ LoadGuard、PROFET+ WireGuard，通過(guò)提供μs 級(jí)快速開(kāi)關(guān)、過(guò)載、短路、過(guò)熱、接地?fù)p耗和電源損耗保護(hù)，取代機(jī)械保險(xiǎn)絲和繼電器。此外，不同的 PROFET 智能高邊開(kāi)關(guān)系列可以防止動(dòng)態(tài)過(guò)壓，例如拋負(fù)載和感性負(fù)載關(guān)斷。PROFET Guard 系列是最先進(jìn)的智能高邊開(kāi)關(guān)系列，可滿足汽車(chē)電力分配系統(tǒng)的最新需求 (例如，功能安全 ISO 26262）。

EiceDRIVER APD 柵極驅(qū)動(dòng)器和 MOSFET 旨在取代繼電器和機(jī)械保險(xiǎn)絲，并提供額外的保護(hù)和診斷功能。它們的使用提高了電力分配系統(tǒng)的可靠性。受益于不到100μs 的快速故障隔離、額外的診斷功能和改進(jìn)的保護(hù)功能，例如集成了 I-t 線束保護(hù)。

SPOC+2是高邊多通道智能功率開(kāi)關(guān)，集成了 SPI 串行接口，提供最先進(jìn)的診斷和保護(hù)功能。它具有很高的靈活性，具有可配置的功能，例如開(kāi)關(guān)速率控制和智能重啟策略。其SPI 接口允許通過(guò)菊花鏈配置連接多個(gè)設(shè)備，以減少 GPIO 的數(shù)量。

HITFET+(高度集成溫度保護(hù) FET) 系列是英飛凌智能低邊開(kāi)關(guān)的解決方案。其內(nèi)置的智能保護(hù)功能可防止過(guò)流、過(guò)壓、短路、過(guò)熱和靜電放電 (ESD）。HITFET+ 系列采用更小的封裝尺寸，具有均衡的短路魯棒性、高速 PWM 應(yīng)用中的能量耗散和診斷。

總結(jié)

“端到端” 智駕元年，智駕高需求又強(qiáng)關(guān)聯(lián) efuse！

2024 年，我國(guó)乘用車(chē)智能駕駛快速發(fā)展，滲透率快速提升；2025 年，大勢(shì)所趨，智能駕駛必將從量的積累到質(zhì)的大飛躍，這也是確保中國(guó)新能源汽車(chē)?yán)^續(xù)處于領(lǐng)先地位的下一個(gè)關(guān)鍵所在！智能駕駛技術(shù)作為未來(lái)出行的重要趨勢(shì)和方向之一，其安全性問(wèn)題始終是我們需要高度關(guān)注的重視的焦點(diǎn)，所謂“聰明車(chē)”必須是“安全車(chē)”。于此，英飛凌持續(xù)創(chuàng)新，推出了多個(gè)系列產(chǎn)品 (如前文所強(qiáng)調(diào)），適應(yīng)智駕汽車(chē)更高功能安全，完整解決方案去更好支持“聰明車(chē)”還更安全，為中國(guó)新能源車(chē)保駕護(hù)航！