【導(dǎo)讀】在汽車行業(yè)，從傳統(tǒng)的12V配電系統(tǒng)向48V配電系統(tǒng)升級(jí)的趨勢越來越明顯。特別是在全球節(jié)能減碳的大背景下，隨著人們對(duì)于48V電源系統(tǒng)的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的深入認(rèn)知，在這條升級(jí)之路上的探索也越來越活躍。
大家都知道，以往汽車上的車載電子設(shè)備所需的電能，是將發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分動(dòng)力轉(zhuǎn)換為電能并存儲(chǔ)在12V的蓄電池中，并通過12V的電源總線分配給各個(gè)用電單元。但是隨著汽車架構(gòu)和功能的升級(jí)，這種12V的配電系統(tǒng)使用起來越發(fā)顯得捉襟見肘。
究其原因，一方面這是12V配電系統(tǒng)限制了傳輸功率的進(jìn)一步提升，而隨著汽車電動(dòng)啟停系統(tǒng)的應(yīng)用，以及空調(diào)、ADAS和自動(dòng)駕駛等更多汽車電子新功能的入駐，必須要找到打破這種功率“天花板”的有效方法。另一方面，總系統(tǒng)負(fù)載功率增加后，如果電壓不變就需要增加電流以滿足傳輸更高功率的要求，這不僅會(huì)增加電能在傳輸過程中的功率耗散，也會(huì)增加所需電源線纜的直徑以及其他相關(guān)組件的尺寸，進(jìn)而增加整車的重量，產(chǎn)生更多的能耗。
而如果采用48V配電系統(tǒng)，對(duì)于提升系統(tǒng)功率和降低能耗顯然是大有裨益。有研究數(shù)據(jù)表明，48V輕混系統(tǒng)可以降低15-20%左右的整車能耗和排放，因此48V電源系統(tǒng)也被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)汽車向新能源汽車轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)因素。
邁過48V電源系統(tǒng)技術(shù)門檻
當(dāng)然，作為一種新的電源架構(gòu)，48V系統(tǒng)在規(guī)模化商用的過程中，還是有很多技術(shù)“門檻”需要去攻克。比如，當(dāng)車輛采用48V電源系統(tǒng)，在高電流負(fù)載與電池之間進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)，就需要面對(duì)新的安全和可靠性挑戰(zhàn)。
在傳統(tǒng)的12V電源系統(tǒng)中，這樣的開關(guān)操作通常是由機(jī)械繼電器完成的。當(dāng)繼電器兩個(gè)觸點(diǎn)斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，該電弧會(huì)隨著觸點(diǎn)之間距離的增加在數(shù)毫秒內(nèi)自行熄滅。而在48V系統(tǒng)中，由于傳輸?shù)墓β矢?，想要電弧自行熄滅就需要采用具有更大接觸距離的繼電器，或是增加額外的滅弧控制電路，這不但會(huì)增加系統(tǒng)整體的成本，并且額外的觸點(diǎn)磨損還會(huì)降低繼電器的預(yù)期壽命。因此，48V電源系統(tǒng)在進(jìn)行電池和大電流負(fù)載（如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)渦輪增壓器等）間的開關(guān)操作時(shí)，需要一種新的方案。
為此，Vishay推出了一種自恢復(fù)電子保險(xiǎn)絲參考設(shè)計(jì)（如圖1所示）。該方案可以在48V電壓下開關(guān)高達(dá)200A的負(fù)載，而整個(gè)方案都“濃縮”在一塊小型的雙面FR4印刷電路板上，且僅需被動(dòng)冷卻即可。這個(gè)電子保險(xiǎn)在安全可靠地實(shí)現(xiàn)開關(guān)操作的同時(shí)，還能夠提供必要的電路保護(hù)功能，且所有操作都是可恢復(fù)的，比傳統(tǒng)的機(jī)械繼電器具有更長的使用壽命。
圖1：48V自恢復(fù)電子保險(xiǎn)絲參考設(shè)計(jì)
（圖源：Vishay）
圖2顯示了這個(gè)電子保險(xiǎn)絲參考設(shè)計(jì)的電路。其采用兩組MOSFET（TR2/TR3）以雙向排列方式連接，以用來處理高負(fù)載電流，并且可以防止在負(fù)載停用后電流通過MOSFET體二極管回流。每個(gè)開關(guān)需要10個(gè)Vishay SQJQ160E汽車用N溝道MOSFET并聯(lián)連接，使得通路阻抗最小化，以降低功耗。在200A工作條件下，可將總功耗限制在10W以內(nèi)。
圖2：48V自恢復(fù)電子保險(xiǎn)絲參考設(shè)計(jì)電路圖
（圖源：Vishay）
為了防止短路情況下對(duì)負(fù)載造成損害，該設(shè)計(jì)使用了四顆并聯(lián)的300μΩ分流電阻（圖2中的R2，Vishay的WSLP3921）連續(xù)測量負(fù)載電流。當(dāng)檢測到電流過載時(shí)，控制器可以快速斷開電池與短路負(fù)載的連接。同時(shí)，車身控制模塊還可以經(jīng)由串行接口通過，連續(xù)電流測量來監(jiān)測車載蓄電池的充電水平、續(xù)航壽命等運(yùn)作狀況。
在開關(guān)啟動(dòng)的過程中，還經(jīng)常會(huì)遇到一種情況——第一次將電池連接到負(fù)載時(shí)，由于負(fù)載中存在未充電的電容器組，可能會(huì)產(chǎn)生高峰浪涌電流。這可能會(huì)造成下級(jí)元件的損壞，也會(huì)影響電池的使用壽命，因此，必須使用預(yù)充電電路將浪涌電流限制在一個(gè)可接受的水平。
為了應(yīng)對(duì)這一問題，本參考設(shè)計(jì)采用了Vishay的SQJA84E MOSFET（TR1）、VSS8D5M6肖特基二極管和D2TO20 SMD功率電阻（R1）將浪涌電流在48V時(shí)的最大值限制在5A。其設(shè)計(jì)思路是，負(fù)載通電之前，在一個(gè)10ms預(yù)定時(shí)間內(nèi)接通TR1，并監(jiān)測輸出電壓X3——如果輸出電壓未達(dá)到輸入電壓的90%，假設(shè)負(fù)載或接線短路，則該過程終止；如果輸出達(dá)到適當(dāng)?shù)乃?，則關(guān)閉TR1，然后打開TR2/TR3以接通負(fù)載。肖特基二極管的作用是在關(guān)閉時(shí)防止電流通過MOSFET體二極管回流。
此外，在保護(hù)特性方面，該參考設(shè)計(jì)采用Vishay的在熱應(yīng)力下具有優(yōu)秀機(jī)械可靠性的NTCS0805 （NTC1）來監(jiān)測溫度。同時(shí)，使用兩顆串聯(lián)的TVS二極管—— XMC7K24CA（D1a）和5KASMC30A（D1b）—— 來保護(hù)電路和敏感元器件免受車輛負(fù)載瞬態(tài)高能量的沖擊。
總之，這是一款各方面考慮非常周全、功能完備、性能出眾的電子保險(xiǎn)絲參考設(shè)計(jì)，可以作為傳統(tǒng)機(jī)械繼電器的替代方案，滿足48V車載電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
電子保險(xiǎn)絲參考設(shè)計(jì)BOM分析
如果我們仔細(xì)分析，成就這樣一款“高規(guī)格”參考設(shè)計(jì)的秘訣，除了獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路，縝密的設(shè)計(jì)考量，還在于其采用的關(guān)鍵元器件各個(gè)都是精挑細(xì)選、性能突出的“干將”。今天我們就不妨深入到這款48V自恢復(fù)電子保險(xiǎn)絲參考設(shè)計(jì)的BOM中，一探究竟。
SQJQ160E汽車用N溝道MOSFET
由上文的分析可以看出，Vishay 48V自恢復(fù)電子保險(xiǎn)絲的核心開關(guān)功能，主要是通過10個(gè)SQJQ160E實(shí)現(xiàn)的。SQJQ160E是Vishay / Siliconix開發(fā)的汽車用N溝道MOSFET，其采用TrenchFET??Gen IV技術(shù)，具有極低的漏極-源極導(dǎo)通電阻（VGS= 10V時(shí)僅為0.00085Ω），因此可以有效降低導(dǎo)通損耗和整體功耗。
由于采用了緊湊的PowerPAK??8 x 8L封裝，SQJQ160E具有出色的熱性能，工作結(jié)溫和存儲(chǔ)溫度為-55°C至+175°C。該產(chǎn)品符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)，并且滿足無鹵、無鉛、RoHS指令等環(huán)保要求，可以說是高功率密度汽車應(yīng)用的理想之選。
圖3：SQJQ160E汽車用N溝道MOSFET
（圖源：Vishay）
D2TO20 SMD功率電阻
在限制負(fù)載浪涌電流的預(yù)充電電路設(shè)計(jì)中，Vishay / Sfernice的D2TO20SMD功率電阻是一顆很關(guān)鍵的元件，由于獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)和集成散熱片，該厚膜電阻提供了優(yōu)秀的功率處理和熱傳導(dǎo)特性。
D2TO20 SMD功率電阻采用TO-263（D2PAK）封裝的表面貼裝非電感性功率電阻，外形緊湊，具有0.01Ω至550Ω的電阻值范圍，在25°C時(shí)功率為20W。該產(chǎn)品符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)汽車應(yīng)用再合適不過了。
圖4：D2TO20 SMD功率電阻
（圖源：Vishay）
XMC7K24CA XClampR? TVS二極管
Vishay 48V自恢復(fù)電子保險(xiǎn)絲方案在瞬態(tài)電壓抑制功能方面，Vishay General Semiconductor的XMC7K24CA XClampR? TVS二極管扮演著重要的角色。
具體來講，XMC7K24CA具有超低鉗位電壓、低漏電流和7000W峰值脈沖功率（PPPM），其最大工作電壓（VWM）為24V，峰值脈沖電流（IPPM）為180A，存儲(chǔ)溫度范圍（TSTG）為-55°C至175°C。特別值得一提的是，該TVS二極管具有高溫穩(wěn)定性和高可靠性，符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)，將它收錄在汽車48V電源相關(guān)解決方案的BOM中，顯然是明智之選。
圖5：XMC7K24CA XClampR? TVS二極管
（圖源：Vishay）
本文小結(jié)
汽車48V電源系統(tǒng)的發(fā)展是大勢所趨，但也像所有的技術(shù)升級(jí)之路一樣，這個(gè)過程并非坦途，需要新的技術(shù)和方案來填坑過坎。
比如，在進(jìn)行電池與大電流負(fù)載之間的開關(guān)操作時(shí)，就需要使用自恢復(fù)電子保險(xiǎn)絲替代傳統(tǒng)的機(jī)械繼電器方案，以滿足更安全、更可靠的設(shè)計(jì)要求。
Vishay按照這一設(shè)計(jì)要求打造的自恢復(fù)電子保險(xiǎn)絲參考設(shè)計(jì)，既有設(shè)計(jì)上的匠心，也有選料上的精心，參透了其中的設(shè)計(jì)秘訣，汽車48V電源系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)也會(huì)變成一條坦途，讓你可以在上面加速狂奔。
來源：貿(mào)澤電子
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