48V起动发电机系统方案指南（2）

汽车功能电子化的关键步骤之一是将内燃机 (ICE) 与电动机结合起来，研发出轻度混合动力汽车 (MHEV)。作为迈向汽车功能全面电子化的重要里程碑，MHEV 成为了许多还未准备好过渡到全电动汽车的驾驶员的热门选择。由于 12V 系统已接近极限，汽车行业现在正迁移至 48V 系统。这种转变旨在增加可用功率，减小线束和连接器尺寸，并支持额外的电气设备和更高的功耗。本文为48V起动发电机系统方案指南第二部分，将介绍方案概述。

方案概述

起动发电机主驱驱动、电源和接口器件的框图

图1.方案概述

起动发电机（BSG、ISG）主驱驱动装置与其他电动汽车（BEV、PHEV）的逆变器结构非常相似，但前者在 48V 电压水平下运行。80V 和 100V MOSFET 用于从 48V 电池获取电流，以将交流电流施加到电机绕组。栅极驱动器产生 PWM 信号，从而以所需频率切换 MOSFET。半桥 APM 配置为驱动三相和六相电机，是功率分立器件的替代方案。

电流检测放大器 (CSA) 用于监测施加到电机相绕组的电流，它可以与各种信号处理和传感器数据调理器件配合使用。EEPROM 用于存储参数。CAN 和 LIN 收发器确保汽车网络内的通信快速且可靠。为了支持 MCU 操作，具有快速瞬变箝位能力和低电容的 ESD 保护器件可保护关键信号的完整性。

电源逆变器 – 三相或六相电机设计

BSG/ISG 设备是能够接受 48V 电压的永磁或感应电机。传统上，相绕组由专用三相逆变器网络驱动，6 个电源开关排列为 3 个半桥，使用 80V 或 100V 功率沟槽 MOSFET。

六相逆变器是一种更先进的方法，可带来更好的性能，包括更高的效率、更宽的扭矩范围、更好的起动扭矩、极小的扭矩波动和更轻微的噪音。在六相方法中，电源开关的数量增加一倍。当某个电机相出现故障并与系统脱离时，六相方法还能保证系统继续运行。

脉冲宽度调制 (PWM) 技术和高级电机控制开关模式将电压施加到感应电机的三个绕组上，通过电机的各相产生交流电流，从而得到驱动车辆所需的扭矩。通过改变控制电机转速和扭矩的 PWM 换向模式，可以调整交流电流的幅度和频率。

安森美（onsemi）提供适合 BSG/ISG 设计的先进半导体技术。高功率分立 MOSFET 和集成功率模块方案针对电机控制和其他 48V 应用进行了优化。

T10 分立 MOSFET采用屏蔽栅极沟槽技术，具有超低 RDS(ON)、低噪声、低 EMI、最小化过冲和业界领先的体二极管（低 Qrr、Trr）等特性。T10 旨在增强性能、提高效率、减少振铃、最大限度地降低过冲和噪声。

APM17 系列（APM = 汽车功率模块）是一系列集成双半桥（两相）模块，可轻松进行外部连接以形成支持两倍相电流的单半桥。三个模块可配置为驱动三相电机或六相电机的电源逆变器。图 2 显示了采用 APM17 模块的三相和六相配置。

图 2：3 个 APM17 模块组合成三相或六相电机驱动配置

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效率，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)，但整体效率更好，特别是在较高频率时。

RDS(ON) 和栅极电荷 QG 整体降低，Rsp（RDS(ON) 相对于面积）更低

改进的 FOM (Rds x Qoss/QG/Qgd) 提高了性能和整体效率。

业界领先的软恢复体二极管（Qrr、Trr）降低了振铃、过冲和噪声。

借助 T10，电源逆变器可以设计为高效的分立方案，允许将栅极驱动器放置在 MOSFET 附近，使电流路径更短。除了逆变器外，T10 还可以服务于各种需要 40V 和 80V MOSFET 的新型 48V 应用和传统 12V 应用。此外，T10 100V MOSFET 目前正在开发中。

表 1 比较了 80V T8/T10 MOSFET 两代产品。第一个比较的是相同芯片尺寸的 MOSFET。T10 成功将 RDS(ON) 从 1.7 mΩ 降低至 1.24 mΩ，同时保持栅极电荷不变。第二个比较涉及相同的最大 RDS(ON)，但 T10 的芯片尺寸更小。另一方面，它还显著降低了总栅极电荷。

表 1：安森美 T8 与 T10 80V MOSFET 技术及主要器件参数对比

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晶圆变得至关重要。在 T10 技术中，安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。

T10 MOSFET 技术：竞争优势

下表显示了与具有类似参数的竞品器件相比，安森美 40V T10 MOSFET 所具有的优势。

表 2：安森美 T10 40V 最佳性能产品

SO – 8FL (DFNW5)

表 3：安森美与竞争对手对比：≈1 mΩ RDS(ON) 40V 器件规格

µ8FL (WDFNW8)

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 的散热效果并不理想，热量主要通过 PCB 散发。

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。

适用于 48V 电源逆变器的汽车功率模块 APM17

APM17 是一系列集成 80V MOSFET 模块，提供多种封装，专为 48V MHEV 和低压主驱应用的大电流、高功率密度需求而设计。三个模块可以配置为驱动三相或六相电机。每个 APM17 模块由 2 个高边和 2 个低边 80V MOSFET 组成，通过组合 2 个相输出电源端子，这些 MOSFET 可以连接为双半桥或单半桥。

APM 凭借低杂散电感和更好的电磁干扰 (EMI) 性能，将高度集成且紧凑的设计提升到新的水平。功率 MOSFET 芯片彼此靠近且包含在同一个封装内，这样可以减少封装寄生效应，为最大 VDS 电压提供更多的裕量，并降低开关损耗。高效的电流处理使得 PCB 中无需高电流路径。

该系列有多种绝缘陶瓷 DBC 衬底可供选择，以提供标准和高级热性能。多种 RDS(ON) 额定值（每个 MOSFET 0.58 mΩ - 0.76 mΩ）可满足最终用户的电流需求，多样的引脚排列选项可支持不同的系统设计。

AMP17 系列示例：NXV08H250DT1,NXV08H400XT1

APM17 系列特性和参数：

低杂散电感：APM17 可使 25kW 48V 逆变器系统的总杂散电感小于 15nH。

低结至外壳热阻 RTHJC：介于 0.19°C/W和 0.54°C/W之间。

紧凑的设计降低了模块总电阻。

采用双 R&C 缓冲器（1Ω、15nF），EMI 性能更佳。

每个模块都配有一个温度检测 NTC，25°C 时的阻值为 10 kΩ。

高压隔离测试电压为 3 kVAC，持续 1 秒。

封装种类：标准引脚、压合式引脚、PCB 侧装引脚。

封装尺寸：45 x 30 x 5 mm

APM17 双半桥模块

适用于 MHEV 和 48V 应用的汽车功率模块 (APM)

安森美还有其他 APM 系列，提供多种封装，专为 48V 配件、48V 电池开关和 DC-DC 转换器而设计。APM12、APM19 和 APM21 具备不同的配置和特性，所有功能都集成到单个模块中。

单个模块中集成多个电源开关，支持更高的功率密度，使系统的热效率和电效率更高、重量更轻、尺寸更小。当集成完整应用时，APM 可提供更多价值。系统层面上可显著节省成本：机械设计和封装技术是节省成本的关键因素。

表 4：APM 在 MHEV 48V 架构中的应用

APM12 是一款经过验证、可靠、尺寸较小的 80V 单相逆变器模块，NXV08A170DB2 具有电流检测、温度检测功能和缓冲电路。n 个 APM12 模块可以堆叠起来，变成 n 相电机逆变器。

NXV10V160ST1 APM21 集成了六个 100V MOSFET（3 个半桥），RDS(ON) 为 1.8 mΩ，RTHJC 为 0.36 °C/W。同时还集成了 R＆C 缓冲器和用于温度检测的 NTC。它可以处理典型的 48V 三相大功率辅助应用，如电动涡轮增压器、暖通空调电动压缩机、各种泵和风扇。

APM19 模块：集成了三相 MOSFET 桥（六个 80V MOSFET）、用于电流检测的精密分流电阻、用于温度检测的 NTC 以及 R＆C 缓冲电路。

FTC03V85A1 针对构建 1.5kW 48V-12V 交错式 DC-DC 转换器拓扑进行了优化。两个模块可以构成一个六相 3kW 转换器。最大 RDS(ON) 为 2.6 - 3.5mΩ，RTHJC 为 1.0 °C/W。

NXV08V110DB1 是经过优化的三相逆变器桥，适用于   48V 配件和电动助力转向使用的变速电机驱动。

80V 和 100V MOSFET 栅极驱动器：起动发电机应用

FAD3151MXA 和 FAD3171MXA 是 110V、2.5A 多功能车用单通道浮栅驱动器，适合驱动高达 110 V 的高速功率 MOSFET。这些驱动器专为 48V BSG/ISG 和其他 48V 应用而设计，具有去饱和保护、软关断、故障报告功能、欠压锁定保护等特性。集成电荷泵支持 100% 占空比操作（仅限 FAD3171MXA）。可耐受严重负瞬变和高达 −80 V 的接地偏移。

主动系统故障保护

通过控制高边或低边的栅极驱动器故障 FLT 引脚，可以实现主动系统短路保护。这样在检测到故障时，可以在很短的响应时间内关闭受影响的通道。主动系统故障保护可以防止 48 V 供电网络中的过压情况和干扰，同时使电机处于安全状态，提高 48V BSG/ISG 等电机控制应用的安全性。

为使电机产生的电流可以在电机绕组中放电，可以在微控制器内对相反通道的主动导通进行编程（图 3 上的 FLT-高、FLT-低）。应用手册 AND90251/D 介绍了如何对高边和低边 MOSFET 上的微控制器故障控制逻辑进行编程。

图 3 显示了具有主动系统保护功能的电机控制应用示例，并突出显示了电流流向。

图 3：三相电机控制应用中的栅极驱动器，在主动系统保护下运行

NCV77320 电感位置传感器接口

NCV77320 是一款电感位置传感器接口器件，与 PCB 结合可形成一个用于精确测量角度或线性位置的系统。这款传感器适合电动汽车和燃油车中安全攸关的应用。它在冗余应用中最高能达到 ASIL D 安全性等级。NCV77320 主要设计为用于油门踏板应用，但如果转速（最大 10 800 RPM）和输出协议匹配，它也可用于任何需要精确位置检测的旋转和线性应用。

选择安森美先进的电感技术可提高 EMC 稳健性，尤其是在直流领域。与基于磁铁的方案不同，电感技术因其结构而不受杂散磁场的影响。与使用磁铁的方案相比，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。

提供 3 个输出通信接口：模拟输出、SENT 接口（快速和慢速通道）、SPI 通道。

NCV77320 的校准过程可利用评估套件硬件和 GUI 软件。

电子保险丝 (eFuse) NIV3071

NIV3071 eFuse 可以保护最多 4 个独立的 48V 或 12V 下游负载，使它们免受输出短路、过载和过电流事件的影响。一个电源可以安全地驱动 4 个受保护的独立负载，每个负载以 2.5A 连续电流运行。eFuse 可以配置为单通道保护，驱动高达 10A 的单个连续负载电流。

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。5x6mm 小型封装。

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。

WQFN16，5x6 mm，外壳 510CM

NCV2023x 系列低功耗运算放大器

NCV2023x 是低功耗运算放大器系列，具有 2.7 V 至 36V 的宽电源范围，电源电流为 0.595 mA，25°C 时输入失调电压低至 ±0.95 mV（最大值）。它在实现低失调电压的同时并未牺牲性能，也避免了精密运算放大器的高成本。轨到轨输出支持更宽的动态工作范围。输出电压摆幅更接近供电轨，输出性能不会出现任何下降。

提供单通道配置 - NCV20231、双通道配置 - NCV20232 和四通道配置 - NCV20234。

失调电压：±0.95 mV（最大值，25°C）

单位增益带宽：3MHz

失调漂移：±2µV/°C（最大值）

CMRR：VSS 至 (VDD–1.35)V

NCV2023x 运算放大器系列是各种功能块和电子控制单元中传感器信号调节应用的理想选择。电流检测能力：高边电流检测高达 36V 共模。低边电流检测为共模至地。

NCV7041 电流检测放大器

NCV7041 是一款高电压、高分辨率电流检测放大器。它提供 14、20、50 和 100 V/V 的增益选项，在整个温度范围内最大增益误差为 ±0.3%。共模输入电压范围非常宽，为 −6 V 至 80 V。NCV7041 可以在各种汽车应用中通过检测电阻执行单向或双向电流测量。

增益带宽：100kHz

输入失调电压：±300 µV（最大值）

输入失调漂移：±3µV/°C（最大值）

CMRR：85dB（最小值）

NCV2023x 运算放大器系列是各种功能块和电子控制单元中传感器信号调节应用的理想选择。电流检测能力：高边电流检测高达 36V 共模。低边电流检测为共模至地。

NCV7041 电流检测放大器

NCV7041 是一款高电压、高分辨率电流检测放大器。它提供 14、20、50 和 100 V/V 的增益选项，在整个温度范围内最大增益误差为 ±0.3%。共模输入电压范围非常宽，为 −6 V 至 80 V。NCV7041 可以在各种汽车应用中通过检测电阻执行单向或双向电流测量。

增益带宽：100kHz

输入失调电压：±300 µV（最大值）

输入失调漂移：±3µV/°C（最大值）

CMRR：85dB（最小值）

NCV8730 宽输入电压范围 LDO

NCV8730 是新一代 CMOS LDO 稳压器，支持高达 38V 的输入电压和 150mA 的输出电流。仅 1µA 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，它还提供出色的负载/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。

支持汽车瞬变应用

非常适合“始终开启”的应用

可抑制浪涌电流以保护   IC

可复位 MCU 以避免故障

1.2V to 24V

提供固定和可调电压选项：1.2V 至 24V

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