【導讀】在汽車行業，從傳統的12V配電系統向48V配電系統升級的趨勢越來越明顯。特別是在全球節能減碳的大背景下，隨著人們對于48V電源系統的環保和經濟價值的深入認知，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，是將發動機的一部分動力轉換為電能并存儲在12V的蓄電池中，并通過12V的電源總線分配給各個用電單元。但是隨著汽車架構和功能的升級，這種12V的配電系統使用起來越發顯得捉襟見肘。
究其原因，一方面這是12V配電系統限制了傳輸功率的進一步提升，而隨著汽車電動啟停系統的應用，以及空調、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組件的尺寸，進而增加整車的重量，產生更多的能耗。
而如果采用48V配電系統，對于提升系統功率和降低能耗顯然是大有裨益。有研究數據表明，48V輕混系統可以降低15-20%左右的整車能耗和排放，因此48V電源系統也被認為是驅動傳統汽車向新能源汽車轉型的重要技術因素。
邁過48V電源系統技術門檻
當然，作為一種新的電源架構，48V系統在規模化商用的過程中，還是有很多技術“門檻”需要去攻克。比如，當車輛采用48V電源系統，在高電流負載與電池之間進行開關操作時，就需要面對新的安全和可靠性挑戰。
在傳統的12V電源系統中，這樣的開關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生電弧，該電弧會隨著觸點之間距離的增加在數毫秒內自行熄滅。而在48V系統中，由于傳輸的功率更高，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電源系統在進行電池和大電流負載（如電動助力轉向、電動渦輪增壓器等）間的開關操作時，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開關操作的同時，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。每個開關需要10個Vishay SQJQ160E汽車用N溝道MOSFET并聯連接，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。
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的300μΩ分流電阻（圖2中的R2，Vishay的WSLP3921）連續測量負載電流。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由串行接口通過，連續電流測量來監測車載蓄電池的充電水平、續航壽命等運作狀況。
在開關啟動的過程中，還經常會遇到一種情況——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預定時間內接通TR1，并監測輸出電壓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；如果輸出達到適當的水平，則關閉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秀機械可靠性的NTCS0805 （NTC1）來監測溫度。同時，使用兩顆串聯的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，可以作為傳統機械繼電器的替代方案，滿足48V車載電源系統的設計要求。
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功能，主要是通過10個SQJQ160E實現的。SQJQ160E是Vishay / Siliconix開發的汽車用N溝道MOSFET，其采用TrenchFET??Gen IV技術，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，工作結溫和存儲溫度為-55°C至+175°C。該產品符合AEC-Q101標準，并且滿足無鹵、無鉛、RoHS指令等環保要求，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鍵的元件，由于獨特的物理結構和集成散熱片，該厚膜電阻提供了優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
汽車48V電源系統的發展是大勢所趨，但也像所有的技術升級之路一樣，這個過程并非坦途，需要新的技術和方案來填坑過坎。
比如，在進行電池與大電流負載之間的開關操作時，就需要使用自恢復電子保險絲替代傳統的機械繼電器方案，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電源系統的應用開發也會變成一條坦途，讓你可以在上面加速狂奔。
來源：貿澤電子
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