区域控制器架中这三类的典型电路设计正在改变
汽车
2024-07-03 09:03
广东
汽车市场正在转向区域控制器架构的趋势方向，而汽车区域控制器架构正朝着分布式、集成化、智能化的方向发展，以实现更高效的数据处理、功能整合与自动驾驶支持。基于区域控制器架构带来很多设计的机会与挑战，例如SmartFET正越来越多替代传统的MOSFET器件。
SmartFET是一种集成了智能控制和保护功能的功率MOSFET器件，今天已经在电动汽车上得到广泛应用。在传统功率开关元件的基础上，SmartFET增加了诸如过流、过热、过压保护以及实时监测和诊断等功能。通过集成电流检测、温度补偿以及自适应开关控制技术，SmartFET能够根据实际工作条件自动调整其行为，防止出现潜在故障，并且简化了电路设计，减少了外部组件需求。例如，在汽车电子领域，安森美（onsemi）提供的高边SmartFET不仅能够高效地切换负载，如LED照明、启动器、车门模块、暖通空调和其他执行器，还具有主动浪涌电流管理、过温关断与自动重启以及主动过压钳位等特性，从而极大地提升了整个系统的稳定性和使用寿命。从“高边驱动”到低边驱动，SmartFET的多效“收益”通常在使用MOSFET的时候，首先要有合适的驱动，例如一个合适的门极电阻。同时为了防止场效应管的损坏，我们还要有各种保护措施，例如过流过温和过压的保护电路，来保证其长期可靠运行不致损坏。通常这些保护电路都是由分立器件达成，既增加系统成本，同时也占据了较大的PCB空间。 而SmartFET产品把这些驱动和监测保护电路都集成到标准MOSFET的封装里面，因此一个SmartFET有两个主要部件组成：首先它有一个基于标准MOSFET的功率级负责向负载提供电流；第二个就是控制级，这里面主要是指MOSFET的驱动和监测保护电路，有了这个控制级就能够正确的开关MOSFET，同时能够防止其损坏。这样既可以增加MOSFET使用的可靠性，同时也能节省系统成本，以及减少PCB占用的空间。这些优点使得SmartFET在汽车电子里面得到了广泛的使用。高低边驱动是用于控制电路中负载通断的两种基本方法，它们在电源管理、电机控制和汽车电子等领域广泛应用。具体来说：
低边驱动（Low Side Driver, LSD）：在一个直流电源供电的电路中，低边驱动是指通过控制连接到负载地线（或接地端）的开关元件来实现对负载电流的接通和关断。当这个“开关”（通常是MOSFET或晶体管）导通时，负载可以形成回路并从电源汲取电流；当开关关断时，负载与地之间的路径被切断，从而停止电流流动。 高边驱动（High Side Driver, HSD）：高边驱动则是指通过控制连接到负载电源正极一侧的开关元件来控制负载电流。高边驱动相对复杂一些，因为它需要处理的问题包括确保栅极驱动电压高于电源电压以保证MOSFET有效开启，并且必须考虑电荷泵或者自举电路来提供足够的栅极驱动电压。当高边开关导通时，负载与电源之间形成通路开始工作；而开关关断时，负载失去上端电源供应，电流不再流过负载。总结起来，在一个电源和负载之间，如果通过控制下侧（靠近地线）的开关来控制负载，就是低边驱动；如果通过控制上侧（靠近电源正极）的开关来控制负载，则是高边驱动。这两种方式都有各自的优缺点和适用场景，设计时根据系统需求、效率、安全性等因素选择合适的方式。由于集成了各种检测和保护电路，高边SmartFET事实上能够处理各种各样的负载。常见的我们可以分为三大类应用。第一大类就是灯泡和电容负载。这类负载的特点是他们在刚开始导通的时候，会有一个浪涌电压。例如灯泡在冷态的时候，它的电阻比较小。刚开始导通的时候的电流会远远大于它的额定电流。电容更是如此，在刚开始导通的时候它有一个充电电流。这个时候就要求高边的SmartFET能处理这个浪涌电流。这些典型的负载如车内外的照明，或者像在ECU里常见的各类DCDC电源模块，等等。 第二种负载就是感应负载。像各种电机和继电器这类负载他们有一个共同的特点，里面有能量的线圈在断开的时候是要有一个续流的回路，同时在原边线圈里面可能会产生一个感应电压（也叫做反激电压）。这些反激电压会在功率器件上产生过压，必须要把这个过压钳制到合理的范围，确保不会引起MOSFET功率开关的损坏。这类负载例如雨刷器、启动器、车门模块、暖通空调(HVAC)、燃油喷射器、电动助力转向、油门控制等的电机和继电器等。第三类就是电阻式负载。电阻式负载本身既没有浪涌电流也没有过压的情况出现，但是为了及时知道负载的变化，需要精确的电流检测能力。例如在LED应用中，当一串LED灯珠如果其中有一颗LED发生了损坏，这一串LED的灯串的电流就会发生变化。这个变化可能不大，但是需要及时准确的把它检测出来。这类应用除了LED照明以外，还包括加热单元、变速器和发动机管理系统等。当前汽车市场的一个重要趋势是汽车电子电气架构已经开始转向区域控制器架构。区域控制器架构用来替代已经广泛使用的域控制器架构。所谓区域控制器架构，就是电子控制单元是按照特定区域的物理位置，而不是按照功能来组织和划分的。例如左车身、右车身和前车身等等，就近相应所需要的功能按照物理位置把它组织起来，组成一个区域控制器。这些区域控制器是通过高速的以太网来连接起来。这些以太网不仅传递和处理数据，同时也传递和分配电源，从而大大减少线束的复杂度和重量（值得一提的是，目前线束是电动汽车上第三重和第三贵的部件）。可以简单的归结为在区域控制器架构正在以网络取代线束，即以前域控制器里面的线束现在变成了网络。这个网络不仅是数据网络，同时也是电源网络。区域控制器架构由于它是由以太网组成的一个环形网，因此它很容易扩展，可以根据低、中、高不同档位的配置来加减相应的区域控制。这样的话，就很容易实现快速的产品市场投放。基于区域控制器架构不仅数据是通过网络进行传递和处理，同时电源也是通过网络进行按级分配。因此其中SmartFET会有很大的用处：用作整个区域控制器的efuse保险丝来保护电路，不至于因为浪涌电流或高压造成损坏；同时它也可以控制整个区域控制器架构的电源的通断；还可以通过SmartFET来决定什么时候把负载接到电源上面，什么时候把负载从电源上断开。SmartFET是一种先进的半导体开关解决方案，旨在为汽车和工业应用提供高效、可靠的电源管理。其结构融合了垂直功率MOSFET和智能控制逻辑，实现了紧凑的封装和优化的性能。设计理念着重于提供高度集成的保护特性，如过温保护、过载保护和短路保护，以确保系统在各种故障情况下的安全运行。SmartFET还具备模拟电流检测输出，支持精确的负载监控。 作为SmartFET产品技术的主要供应用，安森美在产品设计中考虑了与控制器的兼容性，使得在不同尺寸和不同RDS(ON)的SmartFET之间切换变得更容易，为应用提供更大的灵活性。安森美整个系列从1毫欧到60毫欧，从1安培到20安培，都具有相同的封装，以及相同的丝印，也有相同的指令结构和相同的高可靠性。因此，在设计制作区域控制器架构PCB板的时候，具有相当的通用性和灵活性，不会因为外部负载变化而要重新制作PCB板，这是一个非常大的优势。
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