【導讀】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，隨著人們對于48V電源系統(tǒng)的環(huán)保和經(jīng)濟價值的深入認知，在這條升級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備所需的電能，是將發(fā)動機的一部分動力轉(zhuǎn)換為電能并存儲在12V的蓄電池中，并通過12V的電源總線分配給各個用電單元。但是隨著汽車架構(gòu)和功能的升級，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一步提升，而隨著汽車電動啟停系統(tǒng)的應用，以及空調(diào)、ADAS和自動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，這不僅會增加電能在傳輸過程中的功率耗散，也會增加所需電源線纜的直徑以及其他相關(guān)組件的尺寸，進而增加整車的重量，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)也被認為是驅(qū)動傳統(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，當車輛采用48V電源系統(tǒng)，在高電流負載與電池之間進行開關(guān)操作時，就需要面對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)操作通常是由機械繼電器完成的。當繼電器兩個觸點斷開時會產(chǎn)生電弧，該電弧會隨著觸點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，這不但會增加系統(tǒng)整體的成本，并且額外的觸點磨損還會降低繼電器的預期壽命。因此，48V電源系統(tǒng)在進行電池和大電流負載（如電動助力轉(zhuǎn)向、電動渦輪增壓器等）間的開關(guān)操作時，需要一種新的方案。
為此，Vishay推出了一種自恢復電子保險絲參考設計（如圖1所示）。該方案可以在48V電壓下開關(guān)高達200A的負載，而整個方案都“濃縮”在一塊小型的雙面FR4印刷電路板上，且僅需被動冷卻即可。這個電子保險在安全可靠地實現(xiàn)開關(guān)操作的同時，還能夠提供必要的電路保護功能，且所有操作都是可恢復的，比傳統(tǒng)的機械繼電器具有更長的使用壽命。
圖1：48V自恢復電子保險絲參考設計
（圖源：Vishay）
圖2顯示了這個電子保險絲參考設計的電路。其采用兩組MOSFET（TR2/TR3）以雙向排列方式連接，以用來處理高負載電流，并且可以防止在負載停用后電流通過MOSFET體二極管回流。每個開關(guān)需要10個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自恢復電子保險絲參考設計電路圖
（圖源：Vishay）
為了防止短路情況下對負載造成損害，該設計使用了四顆并聯(lián)的300μΩ分流電阻（圖2中的R2，Vishay的WSLP3921）連續(xù)測量負載電流。當檢測到電流過載時，控制器可以快速斷開電池與短路負載的連接。同時，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)航壽命等運作狀況。
在開關(guān)啟動的過程中，還經(jīng)常會遇到一種情況——第一次將電池連接到負載時，由于負載中存在未充電的電容器組，可能會產(chǎn)生高峰浪涌電流。這可能會造成下級元件的損壞，也會影響電池的使用壽命，因此，必須使用預充電電路將浪涌電流限制在一個可接受的水平。
為了應對這一問題，本參考設計采用了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時的最大值限制在5A。其設計思路是，負載通電之前，在一個10ms預定時間內(nèi)接通TR1，并監(jiān)測輸出電壓X3——如果輸出電壓未達到輸入電壓的90%，假設負載或接線短路，則該過程終止；如果輸出達到適當?shù)乃剑瑒t關(guān)閉TR1，然后打開TR2/TR3以接通負載。肖特基二極管的作用是在關(guān)閉時防止電流通過MOSFET體二極管回流。
此外，在保護特性方面，該參考設計采用Vishay的在熱應力下具有優(yōu)秀機械可靠性的NTCS0805 （NTC1）來監(jiān)測溫度。同時，使用兩顆串聯(lián)的TVS二極管—— XMC7K24CA（D1a）和5KASMC30A（D1b）—— 來保護電路和敏感元器件免受車輛負載瞬態(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絲參考設計，可以作為傳統(tǒng)機械繼電器的替代方案，滿足48V車載電源系統(tǒng)的設計要求。
電子保險絲參考設計BOM分析
如果我們仔細分析，成就這樣一款“高規(guī)格”參考設計的秘訣，除了獨特的設計思路，縝密的設計考量，還在于其采用的關(guān)鍵元器件各個都是精挑細選、性能突出的“干將”。今天我們就不妨深入到這款48V自恢復電子保險絲參考設計的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自恢復電子保險絲的核心開關(guān)功能，主要是通過10個SQJQ160E實現(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-源極導通電阻（VGS= 10V時僅為0.00085Ω），因此可以有效降低導通損耗和整體功耗。
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)溫和存儲溫度為-55°C至+175°C。該產(chǎn)品符合AEC-Q101標準，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
在限制負載浪涌電流的預充電電路設計中，Vishay / Sfernice的D2TO20SMD功率電阻是一顆很關(guān)鍵的元件，由于獨特的物理結(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時功率為20W。該產(chǎn)品符合AEC-Q200標準，對汽車應用再合適不過了。
圖4：D2TO20 SMD功率電阻
（圖源：Vishay）
XMC7K24CA XClampR? TVS二極管
Vishay 48V自恢復電子保險絲方案在瞬態(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標準，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)升級之路一樣，這個過程并非坦途，需要新的技術(shù)和方案來填坑過坎。
比如，在進行電池與大電流負載之間的開關(guān)操作時，就需要使用自恢復電子保險絲替代傳統(tǒng)的機械繼電器方案，以滿足更安全、更可靠的設計要求。
Vishay按照這一設計要求打造的自恢復電子保險絲參考設計，既有設計上的匠心，也有選料上的精心，參透了其中的設計秘訣，汽車48V電源系統(tǒng)的應用開發(fā)也會變成一條坦途，讓你可以在上面加速狂奔。
來源：貿(mào)澤電子
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