汽車48V方案指南完整版
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(zhuǎn)向、泵和暖通空調(diào)（HVAC）等高能耗設(shè)備，電力需求大幅增加，對 12V 系統(tǒng)構(gòu)成了挑戰(zhàn)。因此，汽車行業(yè)正轉(zhuǎn)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(xì)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(shè)備提供了空間。
本文主要介紹方案概述。
方案概述
適用于 48 V 和 12 V 系統(tǒng)的 MOSFET
從傳統(tǒng)汽車內(nèi)部的簡單電子控制器， 到電動汽車的安靜驅(qū)動， MOSFET 在汽車的引擎蓋下扮演著至關(guān)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(yīng)用提供種類眾多的 LV 和 MV MOSFET， 設(shè)計人員可以從提供不同特性的多種器件技術(shù)中自由選擇。
T10 MOSFET 技術(shù)：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(shù)節(jié)點。T10-M 采用特定應(yīng)用架構(gòu)， 具有極低的 RDS(ON) 和軟恢復(fù)體二極管， 專門針對電機控制和負(fù)載開關(guān)進行了優(yōu)化。另一方面， T10-S 專為開關(guān)應(yīng)用而設(shè)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(yīng)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(shù) – 從成功的 T8 和 T6 到新一代 T10
新型 T10 屏蔽柵極溝槽技術(shù)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(zhì)因數(shù)。改進的品質(zhì)因數(shù)FOM (RDS x QOSS/QG/QGD) 提升了性能和整體效率。
• 業(yè)界領(lǐng)先的軟恢復(fù)體二極管（Qrr、 Trr）降低了振鈴、過沖和噪聲。
• T10 技術(shù)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(qū)動器 – 通過高效開關(guān)降低功率損耗
柵極驅(qū)動器設(shè)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(yīng)用的安森美柵極驅(qū)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(qū)動器， 適合驅(qū)動高達(dá) 110 V 的高速功率MOSFET。
• NCV51513 和 NCV51511 是車用高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動器， 具有高驅(qū)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(qū)動器設(shè)計用于以半橋或同步降壓架構(gòu)驅(qū)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(lǐng)先的軟件兼容， 可助您準(zhǔn)確預(yù)測設(shè)計中的 MOSFET 行為。
器件制造商提供的高質(zhì)量模型可以為您帶來諸多優(yōu)勢：
• 加速設(shè)計迭代：對電路性能進行虛擬仿真， 無需實際構(gòu)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(shè)計準(zhǔn)確性更高：安森美模型真實再現(xiàn)了各項 MOSFET 參數(shù)。更準(zhǔn)確地預(yù)測電路行為， 有助于使設(shè)計自始至終都更接近預(yù)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(fù)載） 對電路性能進行仿真分析， 識別潛在的弱點并確保設(shè)計的穩(wěn)健性。
低功耗 DC-DC 轉(zhuǎn)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(dá) 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(yīng)用的理想方案。此外還提供出色的負(fù)載/線路瞬態(tài)調(diào)節(jié)功能， 以及可復(fù)位 MCU 的輸出Power-Good 功能?？捎梅庋b：TSOP-5 和 WDFN-6。
•支持汽車瞬變響應(yīng)
•可抑制浪涌電流以保護 IC
•提供固定和可調(diào)電壓選項：1.2 V 至 24 V
•非常適合“始終開啟”的應(yīng)用
•可復(fù)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(cè)開關(guān) 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(cè)開關(guān)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(guān)， 可替代后二者。該器件設(shè)計用于調(diào)節(jié)和保護汽車電池， 工作電壓 VIN 最高可達(dá) 32 V， 并且可以抵御高達(dá) 60 V 拋負(fù)載（負(fù)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(guān)極性反接保護和理想二極管應(yīng)用的更多信息， 請參閱應(yīng)用手冊：AND90146 - 正確選擇 MOSFET 以實現(xiàn)極性反接保護。
圖 3：NCV68261 應(yīng)用原理圖
（理想二極管）
圖 4：NCV68261 應(yīng)用原理圖
（極性反接保護 + 高側(cè)開關(guān)）
線控轉(zhuǎn)向 – 應(yīng)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(yán)重依賴電力來驅(qū)動如下等高耗電配件：
• 電動轉(zhuǎn)向：電機取代傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)， 提升響應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向等高峰值負(fù)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(jié)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(yīng)用中最高能達(dá)到 ASIL D 安全性等級， 并可用作線控轉(zhuǎn)向傳感器。如果轉(zhuǎn)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(zhuǎn)和線性應(yīng)用。
• 采用安森美電感技術(shù)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(shù)的結(jié)構(gòu)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(zhǔn)對齊。
從保險絲轉(zhuǎn)向受保護半導(dǎo)體開關(guān)
每輛汽車都依靠電路網(wǎng)絡(luò)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(fù)載免受過電流的影響并防止火災(zāi)危害。保險絲的運行原理簡單但至關(guān)重要。它們包含一個經(jīng)過校準(zhǔn)的燈絲， 給定時間內(nèi) (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(fù)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(dǎo)體開關(guān)取代傳統(tǒng)保險絲， 為低壓電網(wǎng)的區(qū)域控制架構(gòu)帶來了關(guān)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(fù)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(gòu)。
•可以向控制器報告診斷和狀態(tài)；內(nèi)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(dá) 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(yīng)用。
• 保護最多 4 個獨立的 2.5 A 負(fù)載， 或?qū)?eFuse 配置為單通道保護， 以驅(qū)動高達(dá) 10 A 的單個連續(xù)負(fù)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(gòu)） ， 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(fù)載免受輸出短路、 過載和過流事件的影響。eFuse 可以通過構(gòu)建冗余網(wǎng)絡(luò)來提高 48V 電氣架構(gòu)的穩(wěn)健性和可靠性。
• 瀏覽應(yīng)用手冊：NIV3071 eFuse 在汽車應(yīng)用中的優(yōu)勢
• 評估板 NIV3071MTW4GEVB 支持構(gòu)建設(shè)計原型和測試。
NCV84120 自保護高側(cè) 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(fù)載。
NCV84120 采用了先進的保護功能， 如有源浪涌電流管理、 過熱關(guān)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(fù)載檢測的故障指示。
圖 6：低側(cè) 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(cè) SmartFET
NCV8415 是一款三端保護低側(cè)智能分立 FET， 包含差值熱關(guān)斷、 過流、 過溫、 ESD 等相關(guān)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(guān)的系統(tǒng)（例如控制制動、 轉(zhuǎn)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(fēng)險。實施冗余元件有助于提高車輛電氣架構(gòu)的整體穩(wěn)健性。