早期汽車的 12V 電氣系統(tǒng)只能滿足點火和基本照明需求。隨著現(xiàn)代汽車引入了電動轉向、泵和暖通空調(HVAC)等高能耗設備，電力需求大幅增加，對 12V 系統(tǒng)構成了挑戰(zhàn)。因此，汽車行業(yè)正轉向 48V 電氣系統(tǒng)，這不僅提高了功率輸出，支持更多高級功能，還通過使用更細的線束和小型連接器，減輕了重量，節(jié)省了成本，為安裝更多電子設備提供了空間。本文為《48V 電源網(wǎng)趨勢白皮書》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)汽車內部的簡單電子控制器， 到電動汽車的安靜驅動， MOSFET 在汽車的引擎蓋下扮演著至關重要的角色。小巧但強大的硅分立器件可有效控制電動機、 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 應用提供種類眾多的 LV 和 MV MOSFET， 設計人員可以從提供不同特性的多種器件技術中自由選擇。

T10 MOSFET 技術：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節(jié)點。T10-M 采用特定應用架構， 具有極低的 RDS(ON) 和軟恢復體二極管， 專門針對電機控制和負載開關進行了優(yōu)化。另一方面， T10-S 專為開關應用而設計， 更加注重降低輸出電容。雖然會犧牲少量的 RDS(ON)， 但整體效率更好， 特別是在較高頻率時。

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 PCB 散熱， 散熱效果并不理想。

為解決這個問題， 并進一步縮小應用尺寸， 業(yè)界開發(fā)了一種新的頂部散熱 MOSFET 封裝， 即讓 MOSFET 的引線框架(漏極) 在封裝的頂部暴露

出來。這種方法避免了通過 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 – 從成功的 T8 和 T6 到新一代 T10

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

? 業(yè)界領先的軟恢復體二極管(Qrr、 Trr)降低了振鈴、過沖和噪聲。

? T10 技術成功減小了晶圓厚度，從而將 40V MOSFET 中襯底對 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

柵極驅動器 – 通過高效開關降低功率損耗

柵極驅動器設計在有效降低 48 V 汽車系統(tǒng)的功率損耗方面發(fā)揮著重要作用。面向 48 V 應用的安森美柵極驅動器可以將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 多功能單通道車用浮柵驅動器， 適合驅動高達 110 V 的高速功率MOSFET。

? NCV51513 和 NCV51511 是車用高側和低側柵極驅動器， 具有高驅動電流能力和選項， 針對 DC-DC 電源和逆變器進行了優(yōu)化。驅動器設計用于以半橋或同步降壓架構驅動 MOSFET。

安森美器件支持 – 仿真模型

使用安森美的 MOSFET 仿真模型對您的電路進行虛擬測試， 可以減少開發(fā)時間和成本。這些模型與 SIMetrix、PSpice 和 LTspice 等業(yè)界領先的軟件兼容， 可助您準確預測設計中的 MOSFET 行為。

器件制造商提供的高質量模型可以為您帶來諸多優(yōu)勢：

? 加速設計迭代：對電路性能進行虛擬仿真， 無需實際構建和測試多個原型。這可以節(jié)省您寶貴的開發(fā)時間和資源。

? 設計準確性更高：安森美模型真實再現(xiàn)了各項 MOSFET 參數(shù)。更準確地預測電路行為， 有助于使設計自始至終都更接近預期性能。這樣可以有效減少生產(chǎn)過程中代價高昂的錯誤。

? 針對各種條件進行優(yōu)化：在各種條件下(例如溫度變化、 不同負載) 對電路性能進行仿真分析， 識別潛在的弱點并確保設計的穩(wěn)健性。

低功耗 DC-DC 轉換

NCV8730 寬輸入電壓范圍 LDO

NCV8730 是新一代 CMOS LDO 穩(wěn)壓器， 支持高達 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“始終開啟” 應用的理想方案。此外還提供出色的負載/線路瞬態(tài)調節(jié)功能， 以及可復位 MCU 的輸出Power-Good 功能。可用封裝：TSOP-5 和 WDFN-6。

?支持汽車瞬變響應

?可抑制浪涌電流以保護 IC

?提供固定和可調電壓選項：1.2 V 至 24 V

?非常適合“始終開啟”的應用

?可復位 MCU 以避免故障

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

NCV68261 理想二極管和高側開關 NMOS 控制器

NCV68261 是一款極性反接保護和理想二極管 NMOS 控制器， 具有可選高側開關功能， 其損耗和正向電壓均低于功率整流二極管和機械功率開關， 可替代后二者。該器件設計用于調節(jié)和保護汽車電池， 工作電壓 VIN 最高可達 32 V， 并且可以抵御高達 60 V 拋負載(負載突降) 脈沖。

該控制器可通過漏極引腳輕松控制， 支持理想二極管工作模式和極性反接保護工作模式。欲了解有關極性反接保護和理想二極管應用的更多信息， 請參閱應用手冊：AND90146 - 正確選擇 MOSFET 以實現(xiàn)極性反接保護。

圖 3：NCV68261 應用原理圖

(理想二極管)

圖 4：NCV68261 應用原理圖

(極性反接保護 + 高側開關)

線控轉向 – 應用示例

交通運輸?shù)奈磥碓谟谙冗M駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和潛力十足的全自動駕駛汽車。這些系統(tǒng)采用 48 V 電壓供電， 因為需嚴重依賴電力來驅動如下等高耗電配件：

? 電動轉向：電機取代傳統(tǒng)的液壓動力轉向系統(tǒng)， 提升響應能力和燃油效率。

? 電子線控系統(tǒng)：電子線控 (X-by-Wire) 是線控轉向和線控制動系統(tǒng)的通用名稱。這些系統(tǒng)用電信號控制取代傳統(tǒng)的機械連桿(方向盤、 剎車踏板) ， 為自動駕駛汽車開發(fā)提供了更大的靈活性。

然而， 電子線控也對可靠性、 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)可使線控轉向等高峰值負載裝置的冗余執(zhí)行器更輕、 更具性價比。

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 結合形成用于精確測量角度或線性位置的系統(tǒng)。它在冗余應用中最高能達到 ASIL D 安全性等級， 并可用作線控轉向傳感器。如果轉速(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的旋轉和線性應用。

? 采用安森美電感技術可提高 EMC 穩(wěn)健性， 尤其是在直流域。與基于磁鐵的方案不同， 電感技術的結構可使其免受雜散磁場的影響， 與前者相比， 這是一個重要優(yōu)勢， 因為隨著汽車功能電子化， 強直流電流會越來越多。

? NCV77320 系統(tǒng)對溫度變化不敏感。

? 易于實現(xiàn)冗余：兩個傳感器可以堆疊， 實現(xiàn)精準對齊。

從保險絲轉向受保護半導體開關

每輛汽車都依靠電路網(wǎng)絡為前燈、 收音機等各種組件供電。汽車保險絲可保護這些電路和下游負載免受過電流的影響并防止火災危害。保險絲的運行原理簡單但至關重要。它們包含一個經(jīng)過校準的燈絲， 給定時間內 (I 2 t) 若電流過大，該燈絲會熔化， 進而使電路開路并中斷電流。所選擇的燈絲材料及其橫截面積決定了保險絲的額定電流。

保險絲燒斷后， 必須更換才能恢復工作。汽車的保險絲盒通常含有 40 多個一級和二級保險絲。使用受保護的半導體開關取代傳統(tǒng)保險絲， 為低壓電網(wǎng)的區(qū)域控制架構帶來了關鍵優(yōu)勢。安森美提供 eFuse、 SmartFET 和理想二極管等器件。

具體優(yōu)勢包括：

?由 MCU 控制連接和斷開。

? 可復位，跳閘后無需更換保險絲。靈活的保護方案和閾值。

? 體積較小，可集成到區(qū)域控制架構。

?可以向控制器報告診斷和狀態(tài);內置功能安全(FuSa)特性并可實現(xiàn)合規(guī)性。

圖 5：4 個 ECU 受 eFuse 保護的示例

表 1：SmartFET 和 eFuse 方案示例。

NIV3071 65 V AbsMax 、 10 A、 4 通道集成電子保險絲

NIV3071是一款 60 V DC 、 65 V TR 電子保險絲， 在一個封裝中集成了 4 個獨立通道。eFuse 支持高達 10 A 的連續(xù)輸出電流。小型 5x6 mm 封裝。每個集成 eFuse 都有固定的軟啟動時間。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)測引腳， 適用于 12 V 至 48 V 的廣泛汽車應用。

? 保護最多 4 個獨立的 2.5 A 負載， 或將 eFuse 配置為單通道保護， 以驅動高達 10 A 的單個連續(xù)負載電流。

? 非常適合實現(xiàn)汽車區(qū)域控制器(區(qū)域控制架構) ， 確保整個車輛的局部 ECU 受到保護且穩(wěn)健可靠。

? 保護 12 V 和 48 V 下游負載免受輸出短路、 過載和過流事件的影響。eFuse 可以通過構建冗余網(wǎng)絡來提高 48V 電氣架構的穩(wěn)健性和可靠性。

? 瀏覽應用手冊：NIV3071 eFuse 在汽車應用中的優(yōu)勢

? 評估板 NIV3071MTW4GEVB 支持構建設計原型和測試。

NCV84120 自保護高側 SmartFET

NCV84120 是一款完全受保護的單通道高端 SmartFET， 可用于切換各種汽車負載。

NCV84120 采用了先進的保護功能， 如有源浪涌電流管理、 過熱關斷自動重啟和過壓有源箝位。

專用電流檢測引腳可以監(jiān)控輸出的精確模擬電流， 以及提供 V D 短路、 對地短路和 OFF 狀態(tài)開路負載檢測的故障指示。

圖 6：低側 SmartFET 的通用框圖，包括集成的自診斷和保護電路。

NCV8415 自保護低側 SmartFET

NCV8415 是一款三端保護低側智能分立 FET， 包含差值熱關斷、 過流、 過溫、 ESD 等相關保護功能， 以及用于過壓保護的集成漏極至柵極箝位。該器件還通過門極引腳提供故障指示， 可適用于惡劣的汽車環(huán)境。

48 V 系統(tǒng)中的系統(tǒng)冗余

如果單個器件發(fā)生故障， 冗余元件可作為備用， 防止整個系統(tǒng)中斷。這對于安全攸關的系統(tǒng)(例如控制制動、 轉向和安全氣囊的系統(tǒng)) 尤其重要。汽車環(huán)境面臨各種挑戰(zhàn)， 包括振動、 溫度波動、 潛在器件故障和短路風險。實施冗余元件有助于提高車輛電氣架構的整體穩(wěn)健性。

安森美為48V應用提供了Si MOSFET、柵極驅動器、eFuse等方案，掃碼下載白皮書查看完整內容。