隨著汽車電動化、高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的快速普及，自動駕駛和網聯(lián)汽車的不斷發(fā)展，汽車行業(yè)正在經歷一場范式變革。這些變革創(chuàng)新需要更加復雜、更加可靠的電氣系統(tǒng)，要求系統(tǒng)能夠處理更高的功率，同時保持安全性和能源效率。

傳統(tǒng)的集中式配電架構依賴于大量的線束和集中式控制單元，由于布線的復雜性、線束重量和擴展性限制，集中式配電架構的可行性變得越來越低。

為了應對這些挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)正轉向分區(qū)控制電氣系統(tǒng)架構。按照這種區(qū)控架構概念，車輛的電氣系統(tǒng)被劃分為多個控制區(qū)，每個控區(qū)為車輛的特定子系統(tǒng)或區(qū)域供電。

這種分區(qū)設計降低了布線復雜性和線束重量，提高了系統(tǒng)的維護便利性，并增強了故障隔離能力。然而，分區(qū)架構需要創(chuàng)新的配電組件，滿足在嚴格的汽車標準下，靈活、安全、高效運行的要求。

區(qū)控架構中的電源軌開關

電源軌開關 (PRS)是分區(qū)控制架構中的一個關鍵元件，充當一個可控制的跨多條負載線的配電節(jié)點。PRS開關必須支持雙向電流，以適應動態(tài)電源路由和故障管理場景。電源軌開關還需要提供穩(wěn)健的安全保護機制，實現(xiàn)快速隔離故障，并保持系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

意法半導體的STi2Fuse 智能保險絲為滿足這些挑戰(zhàn)性要求而專門設計，集成了先進的軟硬件功能，實現(xiàn)精確控制、實時診斷和快速故障響應。

本文討論的PRS開關解決方案利用四個采用背靠背 (B2B) 配置的 STi2Fuse 器件構成雙向電源開關，能夠處理兩條不同的輸電路徑，在 48V 電壓下，電流高達 150A。

這種 B2B MOSFET 配置在關斷狀態(tài)下提供對稱電壓阻斷能力，在導通狀態(tài)下支持雙向電流傳輸，有效地復制了理想雙向電源開關 (BPS) 的工作特性。

雙向電源開關（BPS）概念

BPS是一個有源開關，在導通時，可以雙向傳導電流；在關斷時，可以雙向阻止電流（圖 1）。

圖 1 雙向電源開關簡圖

在 BPS 的理想簡圖中，線路 L 和線路 R兩條線路是可互換的輸入端和輸出端。

圖2和圖3所示分別是導通狀態(tài)和關斷狀態(tài)下的BPS特性圖。

圖2：導通狀態(tài)下的BPS特性圖

圖3：關斷狀態(tài)下的BPS特性圖

通過共用漏極和背靠背 (B2B)配置，兩個N 溝道 MOSFET開關管構成一個BPS開關(圖4)。

圖 4：在B2B配置中的兩個 N 溝道 MOSFET

該配置提供與BPS類似的對稱關斷狀態(tài)阻斷特性。通過驅動電路控制柵極G1和G2，可以創(chuàng)建一條可控雙向線路，如圖5所示：

圖 5： 可控雙向線路示意圖。

柵極驅動器確保開關和保護控制精確，使 B2B 配置成為汽車配電應用的理想選擇。

電源軌開關 (PRS) 的實現(xiàn)方法

如圖 6 所示，PRS配置的實現(xiàn)方法是采用兩條共用連接節(jié)點的雙向線路，并使用 STi2Fuse 控制器 VNF1248F 驅動 MOSFET 柵極。

圖6： 電源軌開關示意圖。

四個 VNF1248F 器件控制柵極信號和保護機制，以確保開關在故障條件下安全運行，安全保護功能包括：

?過流（OVC）保護和硬短路（HSC）保護，用于檢測電流異常事故。

?電流時間鎖斷保護，用于模擬保險絲功能，可通過 SPI（串行外設接口）配置該功能的全部參數(shù)。

?熱管理功能，用于啟動外部 MOSFET開關管的過熱關斷功能。

實驗結果

測量硬件是一個三層疊裝電路板：

?一個預裝專用固件的微控制器板

?一塊安裝STi2Fuse控制器的驅動板

?一塊集成MOSFET 的功率板。

圖形用戶界面 (GUI)軟件用于設置四個 VNF1248F 控制器，并提供實時診斷反饋。

圖7所示是驅動板。

圖 7：PRS 控制器評估板。

當兩條電源軌都出現(xiàn)短路時，VNF1248F器件將會做出反應，保護負載的安全。反應時間會隨著過電流增大而縮短，智能保險絲內的 I2t 曲線配置決定反應時間。

表1列出了主要實驗數(shù)據(jù)。

表1：智能保險絲反應時間實驗數(shù)據(jù)。

I2t 保護測試表明，當發(fā)生高電流故障(最高85A)時，最小反應時間是10微秒，證實 PRS 能夠快速斷開故障線路，同時保持系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

如圖 8 所示，當只有一條電源軌(L2)出現(xiàn)短路時，VNF1248F器件就會隔離這條故障電源軌，保護負載的安全，同時，另一條正常的電源軌 (L1)繼續(xù)供電，維持負載功能正常運行。

圖8 ：電源軌硬短路保護（L2）。

測試分三步進行：

第一步：正常工作

L1 和 L2兩條電源軌都運行正常。

連到電路的燈亮，表明電流傳輸正常。

智能保險絲 1 和 3 的柵極都處于工作狀態(tài)，允許電流流動。

第二步：L2發(fā)生硬短路

L2突然接地（硬短路）

智能保險絲 3 檢測到短路后鎖斷，強制柵極拉低電平，阻斷電流，保護電路。

第三步：故障隔離

智能保險絲 3 將 L2 斷開，有效隔離短路。

系統(tǒng)的其余部分仍然受到保護并正常運行

正常電源軌（L1）繼續(xù)為燈供電，燈保持點亮，這個測試演示了系統(tǒng)的容錯能力和選擇性保護功能。

圖 9 所示是在L2 硬短路事件期間測得的電壓和電流波形。

圖9：在L2線路硬短路事件期間測量的波形。

盡管 L2 發(fā)生故障，但是正常的電源軌 (L1) 保持穩(wěn)定的電壓和電流，確保持續(xù)向負載供電（燈保持點亮），這證明在維持系統(tǒng)運行和防止故障方面，雙向電源開關和智能保險絲配置是有效的。

結論

本文介紹了一種創(chuàng)新的汽車區(qū)控架構配電解決方案，該方案利用意法半導體的 STi2Fuse 智能保險絲，配合背靠背 MOSFET配置，實現(xiàn)一個雙向電源軌開關(PRS)。該PRS解決方案配電靈活、安全，具有對稱電壓阻斷和雙向電流功能。

實驗結果顯示，該方案的故障檢測速度快，隔離時間低至 10 微秒，負載保護能力穩(wěn)健，系統(tǒng)穩(wěn)定性出色，可以有效滿足現(xiàn)代汽車電氣系統(tǒng)不斷變化的需求，為下一代區(qū)控架構帶來更高的可靠性、可擴展性和安全性。

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