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 仿真模型对您的威廉希尔官方网站 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：对威廉希尔官方网站 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。更准确地预测威廉希尔官方网站 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) 对威廉希尔官方网站 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

每辆汽车都依靠威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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， 进而使威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。

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。