汽车48V电气系统解决方案

早期汽车的 12V 电气系统只能满足点火和基本照明需求。随着现代汽车引入了电动转向、泵和暖通空调(HVAC)等高能耗设备，电力需求大幅增加，对 12V 系统构成了挑战。因此，汽车行业正转向 48V 电气系统，这不仅提高了功率输出，支持更多高级功能，还通过使用更细的线束和小型连接器，减轻了重量，节省了成本，为安装更多电子设备提供了空间。本文为《48V 电源网趋势白皮书》第二部分，主要介绍方案概述。

方案概述

适用于 48 V 和 12 V 系统的 MOSFET

从传统汽车内部的简单电子控制器， 到电动汽车的安静驱动， MOSFET 在汽车的引擎盖下扮演着至关重要的角色。小巧但强大的硅分立器件可有效控制电动机、 确保电池充电、 分配电力， 以及保障系统安全。安森美 (onsemi)为 12 V和 48 V 应用提供种类众多的 LV 和 MV MOSFET， 设计人员可以从提供不同特性的多种器件技术中自由选择。

T10 MOSFET 技术：40 V 和 80 V 低压和中压 MOSFET

T10 是安森美继 T6 和 T8 成功之后推出的新型技术节点。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)， 但整体效率更好， 特别是在较高频率时。

图 1：T10 MOSFET 的典型封装

顶部散热封装 (TCPAK57)

MOSFET 凭借出色的功率能力和紧凑的尺寸而受到青睐。然而， 传统SMD 主要从封装底部通过 PCB 散热， 散热效果并不理想。

为解决这个问题， 并进一步缩小应用尺寸， 业界开发了一种新的顶部散热 MOSFET 封装， 即让 MOSFET 的引线框架(漏极) 在封装的顶部暴露

出来。这种方法避免了通过 PCB 散热。TCPAK57 是紧凑型 5.1 x 7.5 mm封装。

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

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

TCPAK57， MOSFET 封装顶部露出漏极。

MOSFET 技术 – 从成功的 T8 和 T6 到新一代 T10

新型 T10 屏蔽栅极沟槽技术提高了效率， 降低了输出电容、 RDS(ON) 和栅极电荷 QG， 改善了品质因数。改进的品质因数FOM (RDS x QOSS/QG/QGD) 提升了性能和整体效率。

• 业界领先的软恢复体二极管(Qrr、 Trr)降低了振铃、过冲和噪声。

• T10 技术成功减小了晶圆厚度，从而将 40V MOSFET 中衬底对 RDS(ON) 的影响从约 50% 减少到 22%。

图 2：T8 沟槽栅极(传统)与新型 T10 屏蔽栅极的比较

栅极驱动器 – 通过高效开关降低功率损耗

栅极驱动器设计在有效降低 48 V 汽车系统的功率损耗方面发挥着重要作用。面向 48 V 应用的安森美栅极驱动器可以将MOSFET 栅极快速充电和放电， 从而显著降低损耗。

• FAD3151MXA 和 FAD3171MXA 是 110 V、 2.5 A 多功能单通道车用浮栅驱动器， 适合驱动高达 110 V 的高速功率MOSFET。

• NCV51513 和 NCV51511 是车用高侧和低侧栅极驱动器， 具有高驱动电流能力和选项， 针对 DC-DC 电源和逆变器进行了优化。驱动器设计用于以半桥或同步降压架构驱动 MOSFET。

安森美器件支持 – 仿真模型

使用安森美的 MOSFET 仿真模型对您的电路进行虚拟测试， 可以减少开发时间和成本。这些模型与 SIMetrix、PSpice 和 LTspice 等业界领先的软件兼容， 可助您准确预测设计中的 MOSFET 行为。

器件制造商提供的高质量模型可以为您带来诸多优势：

• 加速设计迭代：对电路性能进行虚拟仿真， 无需实际构建和测试多个原型。这可以节省您宝贵的开发时间和资源。

• 设计准确性更高：安森美模型真实再现了各项 MOSFET 参数。更准确地预测电路行为， 有助于使设计自始至终都更接近预期性能。这样可以有效减少生产过程中代价高昂的错误。

• 针对各种条件进行优化：在各种条件下(例如温度变化、 不同负载) 对电路性能进行仿真分析， 识别潜在的弱点并确保设计的稳健性。

低功耗 DC-DC 转换

NCV8730 宽输入电压范围 LDO

NCV8730 是新一代 CMOS LDO 稳压器， 支持高达 38 V 的输入电压和 150 mA 的输出电流。仅 1 µA 的超低静态电流使该器件成为“始终开启” 应用的理想方案。此外还提供出色的负载/线路瞬态调节功能， 以及可复位 MCU 的输出Power-Good 功能。可用封装：TSOP-5 和 WDFN-6。

•支持汽车瞬变响应

•可抑制浪涌电流以保护 IC

•提供固定和可调电压选项：1.2 V 至 24 V

•非常适合“始终开启”的应用

•可复位 MCU 以避免故障

•输出电流为 150 mA、输出电压为 3.3 V 时，典型压降为 290 mV

NCV68261 理想二极管和高侧开关 NMOS 控制器

NCV68261 是一款极性反接保护和理想二极管 NMOS 控制器， 具有可选高侧开关功能， 其损耗和正向电压均低于功率整流二极管和机械功率开关， 可替代后二者。该器件设计用于调节和保护汽车电池， 工作电压 VIN 最高可达 32 V， 并且可以抵御高达 60 V 抛负载(负载突降) 脉冲。

该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和极性反接保护工作模式。欲了解有关极性反接保护和理想二极管应用的更多信息， 请参阅应用手册：AND90146 - 正确选择 MOSFET 以实现极性反接保护。

图 3：NCV68261 应用原理图

(理想二极管)

图 4：NCV68261 应用原理图

(极性反接保护 + 高侧开关)

线控转向 – 应用示例

交通运输的未来在于先进驾驶辅助系统 (ADAS) 和潜力十足的全自动驾驶汽车。这些系统采用 48 V 电压供电， 因为需严重依赖电力来驱动如下等高耗电配件：

• 电动转向：电机取代传统的液压动力转向系统， 提升响应能力和燃油效率。

• 电子线控系统：电子线控 (X-by-Wire) 是线控转向和线控制动系统的通用名称。这些系统用电信号控制取代传统的机械连杆(方向盘、 刹车踏板) ， 为自动驾驶汽车开发提供了更大的灵活性。

然而， 电子线控也对可靠性、 功能安全和冗余度提出了更高的要求。与 12 V 系统相比， 48 V 系统可使线控转向等高峰值负载装置的冗余执行器更轻、 更具性价比。

NCV77320 – 电感位置传感器

NCV77320 是一款电感位置传感器接口器件， 可与 PCB 结合形成用于精确测量角度或线性位置的系统。它在冗余应用中最高能达到 ASIL D 安全性等级， 并可用作线控转向传感器。如果转速(最大 10 800 RPM) 和输出协议匹配， 那么NCV77320 可用于任何需要精确位置检测的旋转和线性应用。

• 采用安森美电感技术可提高 EMC 稳健性， 尤其是在直流域。与基于磁铁的方案不同， 电感技术的结构可使其免受杂散磁场的影响， 与前者相比， 这是一个重要优势， 因为随着汽车功能电子化， 强直流电流会越来越多。

• NCV77320 系统对温度变化不敏感。

• 易于实现冗余：两个传感器可以堆叠， 实现精准对齐。

从保险丝转向受保护半导体开关

每辆汽车都依靠电路网络为前灯、 收音机等各种组件供电。汽车保险丝可保护这些电路和下游负载免受过电流的影响并防止火灾危害。保险丝的运行原理简单但至关重要。它们包含一个经过校准的灯丝， 给定时间内 (I 2 t) 若电流过大，该灯丝会熔化， 进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。

保险丝烧断后， 必须更换才能恢复工作。汽车的保险丝盒通常含有 40 多个一级和二级保险丝。使用受保护的半导体开关取代传统保险丝， 为低压电网的区域控制架构带来了关键优势。安森美提供 eFuse、 SmartFET 和理想二极管等器件。

具体优势包括：

•由 MCU 控制连接和断开。

• 可复位，跳闸后无需更换保险丝。灵活的保护方案和阈值。

• 体积较小，可集成到区域控制架构。

•可以向控制器报告诊断和状态;内置功能安全(FuSa)特性并可实现合规性。

图 5：4 个 ECU 受 eFuse 保护的示例

表 1：SmartFET 和 eFuse 方案示例。

NIV3071 65 V AbsMax 、 10 A、 4 通道集成电子保险丝

NIV3071是一款 60 V DC 、 65 V TR 电子保险丝， 在一个封装中集成了 4 个独立通道。eFuse 支持高达 10 A 的连续输出电流。小型 5x6 mm 封装。每个集成 eFuse 都有固定的软启动时间。所有通道共用的可配置电流限制。该器件还具有控制和状态监测引脚， 适用于 12 V 至 48 V 的广泛汽车应用。

• 保护最多 4 个独立的 2.5 A 负载， 或将 eFuse 配置为单通道保护， 以驱动高达 10 A 的单个连续负载电流。

• 非常适合实现汽车区域控制器(区域控制架构) ， 确保整个车辆的局部 ECU 受到保护且稳健可靠。

• 保护 12 V 和 48 V 下游负载免受输出短路、 过载和过流事件的影响。eFuse 可以通过构建冗余网络来提高 48V 电气架构的稳健性和可靠性。

• 浏览应用手册：NIV3071 eFuse 在汽车应用中的优势

• 评估板 NIV3071MTW4GEVB 支持构建设计原型和测试。

NCV84120 自保护高侧 SmartFET

NCV84120 是一款完全受保护的单通道高端 SmartFET， 可用于切换各种汽车负载。

NCV84120 采用了先进的保护功能， 如有源浪涌电流管理、 过热关断自动重启和过压有源箝位。

专用电流检测引脚可以监控输出的精确模拟电流， 以及提供 V D 短路、 对地短路和 OFF 状态开路负载检测的故障指示。

图 6：低侧 SmartFET 的通用框图，包括集成的自诊断和保护电路。

NCV8415 自保护低侧 SmartFET

NCV8415 是一款三端保护低侧智能分立 FET， 包含差值热关断、 过流、 过温、 ESD 等相关保护功能， 以及用于过压保护的集成漏极至栅极箝位。该器件还通过门极引脚提供故障指示， 可适用于恶劣的汽车环境。

48 V 系统中的系统冗余

如果单个器件发生故障， 冗余元件可作为备用， 防止整个系统中断。这对于安全攸关的系统(例如控制制动、 转向和安全气囊的系统) 尤其重要。汽车环境面临各种挑战， 包括振动、 温度波动、 潜在器件故障和短路风险。实施冗余元件有助于提高车辆电气架构的整体稳健性。

安森美为48V应用提供了Si MOSFET、栅极驱动器、eFuse等方案，扫码下载白皮书查看完整内容。