芯耀
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作者：Giusy Gambino，Roberto Caputo
随着汽车电动化、高级驾驶辅助系统 (ADAS) 的快速普及，自动驾驶和网联汽车的不断发展，汽车行业正在经历一场范式变革。这些变革创新需要更加复杂、更加可靠的电气系统，要求系统能够处理更高的功率，同时保持安全性和能源效率。
传统的集中式配电架构依赖于大量的线束和集中式控制单元，由于布线的复杂性、线束重量和扩展性限制，集中式配电架构的可行性变得越来越低。
为了应对这些挑战，汽车行业正转向分区控制电气系统架构。按照这种区控架构概念，车辆的电气系统被划分为多个控制区，每个控区为车辆的特定子系统或区域供电。
这种分区设计降低了布线复杂性和线束重量，提高了系统的维护便利性，并增强了故障隔离能力。然而，分区架构需要创新的配电组件，满足在严格的汽车标准下，灵活、安全、高效运行的要求。
电源轨开关 (PRS)是分区控制架构中的一个关键元件，充当一个可控制的跨多条负载线的配电节点。PRS开关必须支持双向电流，以适应动态电源路由和故障管理场景。电源轨开关还需要提供稳健的安全保护机制，实现快速隔离故障，并保持系统整体稳定性。
意法半导体的STi²Fuse 智能保险丝为满足这些挑战性要求而专门设计，集成了先进的软硬件功能，实现精确控制、实时诊断和快速故障响应。
本文讨论的PRS开关解决方案利用四个采用背靠背 (B2B) 配置的 STi²Fuse 器件构成双向电源开关，能够处理两条不同的输电路径，在 48V 电压下，电流高达 150A。
这种 B2B MOSFET 配置在关断状态下提供对称电压阻断能力，在导通状态下支持双向电流传输，有效地复制了理想双向电源开关 (BPS) 的工作特性。
1.双向电源开关（BPS）概念
BPS是一个有源开关，在导通时，可以双向传导电流；在关断时，可以双向阻止电流（图 1）。
图 1 双向电源开关简图
在 BPS 的理想简图中，线路 L 和线路 R两条线路是可互换的输入端和输出端。
图2和图3所示分别是导通状态和关断状态下的BPS特性图。
图2：导通状态下的BPS特性图
图3：关断状态下的BPS特性图
通过共用漏极和背靠背 (B2B)配置，两个N 沟道 MOSFET开关管构成一个BPS开关(图4)。
图 4：在B2B配置中的两个 N 沟道 MOSFET
该配置提供与BPS类似的对称关断状态阻断特性。通过驱动电路控制栅极G1和G2，可以创建一条可控双向线路，如图5所示：
图 5： 可控双向线路示意图。
栅极驱动器确保开关和保护控制精确，使 B2B 配置成为汽车配电应用的理想选择。
2.电源轨开关 (PRS) 的实现方法
如图 6 所示，PRS配置的实现方法是采用两条共用连接节点的双向线路，并使用 STi2Fuse 控制器 VNF1248F 驱动 MOSFET 栅极。
图6： 电源轨开关示意图。
四个 VNF1248F 器件控制栅极信号和保护机制，以确保开关在故障条件下安全运行，安全保护功能包括：
- 过流（OVC）保护和硬短路（HSC）保护，用于检测电流异常事故。
- 电流时间锁断保护，用于模拟保险丝功能，可通过 SPI（串行外设接口）配置该功能的全部参数。
- 热管理功能，用于启动外部 MOSFET开关管的过热关断功能。
实验结果
测量硬件是一个三层叠装电路板：
图形用户界面 (GUI)软件用于设置四个 VNF1248F 控制器，并提供实时诊断反馈。
图7所示是驱动板。
图 7：PRS 控制器评估板。
当两条电源轨都出现短路时，VNF1248F器件将会做出反应，保护负载的安全。反应时间会随着过电流增大而缩短，智能保险丝内的 I²t 曲线配置决定反应时间。
表1列出了主要实验数据。
表1：智能保险丝反应时间实验数据。
I²t 保护测试表明，当发生高电流故障(最高85A)时，最小反应时间是10微秒，证实 PRS 能够快速断开故障线路，同时保持系统整体稳定性。
如图 8 所示，当只有一条电源轨(L2)出现短路时，VNF1248F器件就会隔离这条故障电源轨，保护负载的安全，同时，另一条正常的电源轨 (L1)继续供电，维持负载功能正常运行。
图8 ：电源轨硬短路保护（L2）。
测试分三步进行：
第一步：正常工作
- L1 和 L2两条电源轨都运行正常。
- 连到电路的灯亮，表明电流传输正常。
- 智能保险丝 1 和 3 的栅极都处于工作状态，允许电流流动。
第二步：L2发生硬短路
第三步：故障隔离
- 智能保险丝 3 将 L2 断开，有效隔离短路。
- 系统的其余部分仍然受到保护并正常运行
- 正常电源轨（L1）继续为灯供电，灯保持点亮，这个测试演示了系统的容错能力和选择性保护功能。
图 9 所示是在L2 硬短路事件期间测得的电压和电流波形。
图9：在L2线路硬短路事件期间测量的波形。
尽管 L2 发生故障，但是正常的电源轨 (L1) 保持稳定的电压和电流，确保持续向负载供电（灯保持点亮），这证明在维持系统运行和防止故障方面，双向电源开关和智能保险丝配置是有效的。
结论
本文介绍了一种创新的汽车区控架构配电解决方案，该方案利用意法半导体的 STi²Fuse 智能保险丝，配合背靠背 MOSFET配置，实现一个双向电源轨开关(PRS)。该PRS解决方案配电灵活、安全，具有对称电压阻断和双向电流功能。
实验结果显示，该方案的故障检测速度快，隔离时间低至 10 微秒，负载保护能力稳健，系统稳定性出色，可以有效满足现代汽车电气系统不断变化的需求，为下一代区控架构带来更高的可靠性、可扩展性和安全性。
参考文献
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