作者：極氪軟件及電子中心  蒙蒙醬

隨著國家政策引導及核心零部件軟件技術(shù)的成熟應(yīng)用，汽車電動化與智能化漸成主機廠共識，消費者購車時的考量也從傳統(tǒng)的性能指標，轉(zhuǎn)向以智能車機、自動駕駛為代表的智能化體驗視角。當行業(yè)供需兩端的關(guān)注點逐步由性能轉(zhuǎn)變至智能時，汽車創(chuàng)新的核心亦從“動力引擎”發(fā)動機轉(zhuǎn)移到“計算引擎”半導體。

01汽車電網(wǎng)安全的重要性

隨著人們生活質(zhì)量的提高，汽車在現(xiàn)代社會中越來越普及，而隨著汽車保有量的持續(xù)增長，道路交通安全事故也越來越多，為了減少安全隱患，除了不斷完善道路安全法規(guī)、加大全民駕駛教育力度，對于OEM來說加強汽車安全設(shè)計也是必不可少的。近年來智能汽車、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的興起也使得汽車安全技術(shù)的發(fā)展面臨全新的局面。

首先，電網(wǎng)是什么？發(fā)電、供（輸、配）電、用電組成電力系統(tǒng)，而電力網(wǎng)包括供電和用電。

其中供電系統(tǒng)是汽車正常運行的基礎(chǔ)，隨著人們對汽車舒適性和娛樂性需求的提高，汽車的電子電器設(shè)備迅速增加，導致了電池易過放電、能源消耗增多、供電線束復(fù)雜、供電安全性降低、故障診斷困難等問題。

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汽車電網(wǎng)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的開關(guān)--繼電器組合的機械式控制方式使得車上的供電回路繁多復(fù)雜，供電安全存在更多的隱患，另一方面目前汽車用電器的供電系統(tǒng)未對供電狀態(tài)和用電信息進行任何的監(jiān)測和控制，更加無法實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化安全管理。

因此利用信息通訊等技術(shù)對發(fā)電、配電、用電過程中所有節(jié)點實時監(jiān)控，實時獲取整個電網(wǎng)的全面信息，實現(xiàn)了汽車供電系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，能夠有效解決電池管理、能源優(yōu)化、故障診斷、用電安全等一系列問題。

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半導體特點

在半導體中最基本的單元是“PN結(jié)”，具有單向?qū)щ娦?，當P端加一個正電壓，N端接地，且當這個電壓足夠大時，兩端就會有電流產(chǎn)生，接反或電壓達不到臨界值時，便不會導通，這便是二極管的工作原理。其導電可控性使半導體在集成電路中得到廣泛應(yīng)用。

功率半導體通過半導體的單向?qū)щ娦詫崿F(xiàn)電源開關(guān)和電力轉(zhuǎn)換功能。按照驅(qū)動形式，可將功率半導體分為電流驅(qū)動型、電壓驅(qū)動型、光驅(qū)動型。

芯片設(shè)計中，生產(chǎn)的最小單位是MOS管，通過MOS管組合封裝后就是我們想要的芯片了。

MOS管又分為N通道MOS管和P通道MOS管，在實際應(yīng)用中NMOS由于其優(yōu)良特性而被更廣泛的使用?？偟膩碚f，當NMOS的輸入端為高電平時，場效應(yīng)管導通，輸出端接地?？珊芎玫赜米鞯投蓑?qū)動回路。相反PMOS的輸入端為低電平時，場效應(yīng)管導通，輸出端接電源正極，可很好地作高端驅(qū)動。但由于導通電阻
大，價錢貴，交流種類少等原因，在高端驅(qū)動中，通常還是使用NMOS。

圖：NMOS導通原理圖
04半導體在汽車上的應(yīng)用
半導體在現(xiàn)有傳統(tǒng)電路的多處發(fā)揮著重要的作用，其中跟安全相關(guān)的有：在繼電器的線圈旁并聯(lián)一個保護二極管，在儀表電路中利用穩(wěn)壓管，保證穩(wěn)壓管兩端的電壓維持一定的電壓值基本不變。目前汽車中使用最多的半導體產(chǎn)品分別是傳感器、MCU和功率半導體，隨著汽車自動駕駛和智能座艙的快速發(fā)展，算力更高的SoC芯片需求也將越來越高。當半導體應(yīng)用在配電系統(tǒng)中時，與傳統(tǒng)配電的元器件對比：傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)，整車通過各插線式或PCB式電器盒（傳統(tǒng)保險絲和繼電器組成）完成對用電器的電源分配工作，適用于當前市場上大部分車型，對應(yīng)的電氣架構(gòu)和控制邏輯相對來說較簡單。各檔位下負載回路通過對應(yīng)ECU控制繼電器線圈端電壓來實現(xiàn)通斷，包括IG繼電器、ACC繼電器、燈光繼電器、喇叭繼電器等，還有一些常電需求的負載直接通過保險絲接蓄電池正極。

圖：傳統(tǒng)電器盒為應(yīng)對更復(fù)雜更龐大的電氣架構(gòu)和控制邏輯，更小、更輕、更智能、更容易安裝的智能電器盒出現(xiàn)了。特斯拉從MODEL 3開始就采用了MOSFET替代保險絲和繼電器的智能電器盒方案，目前國內(nèi)各OEM也對此技術(shù)開始進行預(yù)研。

圖片來源網(wǎng)絡(luò)半導體器件對比傳統(tǒng)保險絲和繼電器的優(yōu)勢：

• 以傳統(tǒng)保險絲為例，假設(shè)使用10A的片式保險，一般來說實際負載回路穩(wěn)態(tài)電流最大也就6A左右，而當回路異常電流達到160%也就是16A時，保險絲的熔斷時間在0.25~50s內(nèi)。

  
  

圖：MINI保險規(guī)格書

1. 傳統(tǒng)的保險絲在斷開保護時導電的熔絲會熔斷或者被破壞，因此永遠無法再使用。

2. 過流和短路保護速度慢，線束和用電器長時間大電流情形下會加速老化，對電路極其不利。

3. 保險絲作為傳統(tǒng)的電器件，無法實現(xiàn)診斷功能。

4. 保險絲的壽命一般在10萬次左右。

• E-Fuse是一種集成MOSFET的有源電流保護器件，主要元件是一個用于調(diào)制負載電流的電源開關(guān)、一個電流感應(yīng)元件和控制邏輯。

圖：智能MOSFET控制器電路

1. 半導體器件的關(guān)斷操作是通過打開和關(guān)閉內(nèi)置的MOSFET來實現(xiàn)的，因此可以重復(fù)使用。

2. 能實現(xiàn)電流、電壓檢測功能，且精度能達到5%。

3. 優(yōu)良的電路保護功能：

1. 過壓保護：將VOUT保持在設(shè)定限制值內(nèi)，并防止過電壓作用于后級負載電路。

2. 過流、短路保護：相比傳統(tǒng)保險絲在過流保護上的精度低和反應(yīng)慢，E-Fuse能夠在IOUT短時間內(nèi)大幅超過限制電流時，迅速切斷回路，時間僅150us，降低回路損害的風險，待回路恢復(fù)正?；蚴┘右粋€外部使能信號后再接通。

3. 欠壓鎖定：與輸入電壓過高相反，當輸入電壓比E-Fuse工作電壓低時，E-Fuse可能會出現(xiàn)故障，當VIN低于E-Fuse工作值時，它會停止工作。

4. 熱關(guān)斷：過流、過壓情況下都會產(chǎn)生大量的熱量，當溫度超過一定值時，E-Fuse關(guān)閉不輸出，從而保護E-Fuse。

5. 反向電流阻斷：對芯片來說，最影響其使用壽命的因素就是過壓和反接，情況嚴重可能會擊穿芯片，毀掉整個電路板。對于感性負載產(chǎn)生的反向電壓，可以采用一個NMOS實現(xiàn)反向電流阻斷功能，實例中我們可以直接選用內(nèi)置MOSFET用于反向電流阻斷的E-FUSE，也可使用E-FUSE和外置MOSFET的組合方式來實現(xiàn)反向電流阻斷功能。

05極氪智能配電系統(tǒng)
ZEEA 3.0上將整車所有負載劃分到不同的Zone控制器中，MCU根據(jù)各用電器上下電邏輯，通過各半導體器件對回路通斷、回路檢測、回路保護進行有效且及時的管理。

整車智能配電框圖汽車上單顆智能MOSFET行業(yè)的標準閾值為30A，在實際設(shè)計中30A以上的大電流用電器仍然采用傳統(tǒng)保險絲方案。對于常電回路可使用E-Fuse的低功耗工作特性以降低休眠電流，選擇E-Fuse+外置MOSFET方案，可直接通過軟件來設(shè)置過流保護的電流限值大小，有利于硬件的平臺化應(yīng)用。此方案結(jié)合了過壓、過流、短路和熱保護等一系列內(nèi)置保護功能，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)熔斷器無法實現(xiàn)的各種高性能、高精度保護。E-Fuse還具有診斷功能，例如電源正常、電流監(jiān)控、使能和報錯，當電路出現(xiàn)異常時會發(fā)送外部信號，能夠更加輕松監(jiān)測出潛在故障，有效地降低維護成本和維修恢復(fù)時間，非常電使用HSD，此方案在車載小電流負載控制方面已被廣泛應(yīng)用。

Zone控制器PCB板分層設(shè)計對整車帶來的好處：1、便于整車能源管理作為智慧電網(wǎng)的基礎(chǔ)支持，采用這些可編程的半導體器件分別控制每個回路后，不再像傳統(tǒng)電器盒通過繼電器將整車分為OFF、ACC、ON檔，且每個檔位下規(guī)定好對應(yīng)的負載，而是可實現(xiàn)整車復(fù)雜的VMM（vehicle model management），并且當需要設(shè)計變更時，還可支持OTA升級。2、主動檢測，降低維修成本實現(xiàn)配電及負載的閉環(huán)控制，通過電流/電壓檢測，實現(xiàn)故障診斷，存儲，且故障斷開后可自恢復(fù)無需更換器件。3、開啟狀態(tài)功耗小傳統(tǒng)保險絲加繼電器回路能源損耗＞1W，而E-FUSE回路能源損耗＜0.5W，為整車節(jié)省能源，有利提升續(xù)航里程。4、降低線束復(fù)雜性，減少線束重量上面討論保險絲和半導體器件性能時講過，保險絲因其保護不精確，導致線束裕量很大，而半導體器件因其精確的電流檢測性能，可以準確識別線路過載及短路故障，做到可靠保護，進而降低對線徑裕量的要求。同時根據(jù)下圖可以看出采用智能配電盒方案可以省去配電盒到ECU和繼電器控制回路，這樣又節(jié)省了線長。

E-Fuse、傳統(tǒng)保險絲、線束熔斷特性圖5、減少安全事故的發(fā)生對于很嚴重的火燒車事故，從電氣故障上來看主要原因是：一是內(nèi)部電氣線路短路引起火災(zāi)。電源線相接或相碰撞、電氣線路接觸電阻過大發(fā)熱將絕緣層引燃起火引起火災(zāi);二是線路接點接觸不良，局部電阻過大發(fā)熱使導線或接點受熱熔化，引燃導線或周圍的可燃物引起火災(zāi);三是蓄電池內(nèi)的電流倒回發(fā)電機，使發(fā)電機線圈產(chǎn)生高溫引起火災(zāi)。結(jié)合上面所提到的半導體器件擁有卓越的電氣保護特性來看，此設(shè)計能夠及時斷開故障回路，避免大量熱量的產(chǎn)生，從而降低火燒車的風險。6、滿足功能安全需求電源回路功能安全等級ASIL B，可支持L4自駕ASIL D需求。

06總結(jié)
越來越多的智能化功能對電路的安全等級有了更高的要求，半導體在整車上的需求也將增加，在整車電路中發(fā)揮著越來越重要的作用。