向软件定义汽车（SDV）的转型促使汽车制造商不断创新。在区域控制器中集成受保护的半导体开关、电子熔断器和 SmartFET，能够为负载、传感器和执行器提供保护，从而提高功能安全，更好地应对功能挑战情况。与传统的域架构不同，区域控制架构采用集中控制和计算的方式，将分散在各个 ECU 上的软件统一交由大型的中央计算机处理，为下游的电子控制和配电提供了更高的灵活性。

系统概述

电动汽车中的低压配电，低压（LV）电网在所有车型中都起着关键作用。区域控制架构也部署在混合动力系统中，此处仅重点介绍电动汽车的区域控制架构。如下图所示，电力来自高压（HV）电池组（通常为 400 V 或 800 V 电池架构）。HV - LV DC - DC 转换器将高压降压，为 LV 网络供电，通常为 48 V 或 12 V 电池架构。有些汽车只有一种 LV 电池，有些则有两种电压，每种电池使用单独的转换器，这因制造商和车型而异。

低压配电系统的主要元件，48 V 和 12 V 电网可能共存于同一辆车中，因此 HV - LV 转换器可以直接为 48 V 电池供电，而额外的 48V - 12V 转换器可以充当一个隔离环节。在单 LV 电池模式下，即一个较大的 48V - 12V 转换器（约 3 kW），为 12 V 电池供电。相比之下，区域控制架构采用分布式方法，在区域控制器（ZCU）内嵌入多个较小的 DC - DC 转换器。

使用单独的电源分配单元（PDU）和 ZCU 时，电力从电池流经 PDU 和 ZCU，到达特定区域内的各个负载。PDU 位于 ZCU 之前，也可以直接为大电流负载供电。ZCU 则负责为汽车指定区域内的大多数负载分配电力。下面的框图直观地展示了该电力流及不同的实现方案。

目前市场上主要有以下两种方法：

• 一体式 PDU 和 ZCU：将 PDU 和 ZCU 功能集成在单个模块中。
• 分离式 PDU 和 ZCU：使用独立的 PDU 和 ZCU 单元。

从传统转向受保护半导体开关

长期以来，汽车保险丝一直是保护电路和下游负载免受电流影响的标准方案，以防止过电流引发火灾。传统保险丝的工作原理简单而关键：其中包含一个经过校准的熔丝，特定时间内（I2t）若电流过大，熔丝会熔断，从而使电路开路并中断电流。所选择的熔丝材料及其横截面积决定了保险丝的额定电流。

随着区域控制架构的采用，整车厂和供应商越来越多地使用受保护的半导体开关来代替传统保险丝，大大提高了功能安全性。不同于传统保险丝（熔断后必须更换），受保护的半导体开关能够复位，发生短路事件后无需更换，因此更加先进。安森美（onsemi）提供三种类型的此类开关：电子熔断器、SmartFET 和理想控制器。

此类新型器件具有以下应用优势：

• 增强负载保护和安全性：发生短路时，会启动智能重试机制和快速关断响应，有助于限制电流过载。冗余性大大提高，有助于提高功能安全性，更好地应对功能挑战情况。
• 易于集成：此类开关可通过微控制器（MCU）灵活集成到更大的系统中，提供配置、诊断和状态功能。
• 可复位：与传统保险丝不同，此类开关在短路后无需更换，可实现动态的保护方案和灵活调整。
• 节省空间：器件尺寸变小后，更有利于集成到区域控制架构中，节省空间并简化线束。
  

  

电源分配单元（PDU）

电源分配单元（PDU）是汽车区域控制架构中的关键组件，在配电系统中起着初始配电的作用。PDU 连接到汽车的低压（LV）电池（通常为 12V 或 48V），或 HV - LV DC - DC 转换器的输出端，由转换器将高压（HV）电池的电压降低。

PDU 可以将电力智能分配到车内的各个区域，确保高效可靠的电源管理。PDU 可以直接为大电流负载供电，也可将电力分配给多个区域控制器（ZCU）。ZCU 则在各自区域内进一步管理配电，从而大大减少了线束的重量和复杂性。目前有多种方案可供选择，能够满足不同汽车制造商及其车型的特定要求。下面的框图简要展示了 PDU 的组成结构。

用于上下电保护的 SmartFET

• 下电 SmartFET - NCV841x “F” 系列：安森美提供两种系列的下电 SmartFET：基础型 NCV840x 和增强型 NCV841x。这两个系列的引脚相互兼容，且采用相同的封装。NCV841x 改进了 RSC 和短路保护性能，可显著延长器件的使用寿命。NCV841x SmartFET 采用了高温热关断技术，可有效防止高温漂移对器件的损害，确保卓越的 RSC 性能。
  NCV841x 系列具有非常平坦的温度系数，可在 - 40℃ 至 125℃ 的温度范围内保持一致的电流限制。由于基本不受温度影响，因此无需为应对炎热天气条件下的电流增加而选择更粗的电线。电线尺寸减小有助于降低束的成本和占用空间。
  NCV8411（NCV841x 系列）的主要特性：

  • 三端受保护功能分离 FET
  • 温差热关断和过温保护，支持自动重启
  • 过电流、过压保护，集成超快自恢复和 ESD 保护
  • 通过引脚触发进行故障检测和指示
    

    

• 理想二极管和上电开关 NMOS 控制器 NCV68261：是一款单级反向保护和理想二极管 NMOS 控制器，具有可选的上电开关功能，正向和反向电压降低于功率和机械功率开关，可替代后者。该控制器与一个或两个 N 沟道 MOSFET 协同工作，并根据使能引脚的状态和输入自偏置的分压电压值，设置相应的开 / 关状态。它的作用是调节和保护汽车电池（电源），工作电压 VIN 可达 32 V，并且可以承受高达 60 V 浪涌负载（负载突降）。NCV68261 采用非常小的 WDFNW - 6 封装，能够在很小的空间内实现保护功能。
  该控制器可通过引脚触发灵活控制，支持理想二极管工作模式（图 2）和单级反向保护工作模式（图 3）。
  

  

  
  

  

评估板（EVB）：以下两款理想二极管控制器均可使用评估板：NCV68061 和 NCV68261。用户可以利用评估板在各种配置中测试控制器，可通过评估板上的跳线设置所需的保护模式。连接的电池电压应在 - 18 V 至 45 V 之间，不得超过器件的额定值。通过添加线路，可使用评估板的预设计布局或使用外部连接信号来控制器件。

T10 MOSFET 技术

40V - 80V 低压和中压 MOSFET T10 是安森美继 T6/T8 成功之后推出的技术节点。新的垂直引脚封装技术提高了能效，降低了输出电容、RDS (ON) 和栅极电荷 QG，优化了品质因数。T10 - M 采用特定应用架构，具有极低的 RDS (ON) 和软恢复二极管，专门针对电机控制和负载开关进行了优化。另一方面，T10 - S 专为开关应用而设计，更加注重降低输出电容。虽然会牺牲少量的 RDS (ON)，但整体效率更好，特别是在较高频率时。

• RDS (ON) 和栅极电荷 QG 总体降低，Rsp（RDS (ON) 相对于面积）更低
• 在 40V 器件中，NVMFWS0D4N04XM 具有非常低的 RDS (ON)，仅为 0.42mΩ
• 在 80V 器件中，NVBLS0D8N08X 具有非常低的 RDS (ON)，仅为 0.8mΩ
• 改进的 FOM（RDS x QOSS/QG/QGD）提高了性能和整体效率
• 行业的软恢复二极管（Trr、Trr）降低了振铃、过冲和开关损耗

安森美为 12 V、48 V PDU 和 ZCU 提供多种 LV 和 MV MOSFET。可通过表 1 所列产品系列进一步了解安森美提供的方案。有多种器件技术和封装供设计人员选择。的设计方案是推出的 5.1 x 7.5 mm TCPAK57 顶部散热封装，可通过封装顶部的散热片进行散热。

PDU 中的电流水平明显高于单个 ZCU 内部的电流水平，因此可考虑使用 RDS (ON) 低于 1.2 mΩ 的分布式 MOSFET 方案。另一种方案是在 PDU 内部并联多个 MOSFET，可进一步提高电流承载能力。在电流消耗较低的 ZCU 内部，设计人员可以选择具有先进保护功能（如新型 SmartGuard 功能）的 SmartFET。

晶圆周边优化

对于低压 FET，衬底电阻可能占 RDS (ON) 的很大一部分。因此，随着技术的进步，使用较低电阻的衬底和减少各种寄生变得至关重要。在 T10 技术中，安森美成功减小了晶圆厚度，从而将 40V MOSFET 中衬底对 RDS (ON) 的贡献从约 50% 减少到 22%。更好的衬底也提高了器件的热性能。