创新的汽车区控架构配电解决方案

judy -- 周五, 12/26/2025 - 16:57

作者：

Giusy Gambino

Roberto Caputo

意法半导体

随着汽车电动化、高级驾驶辅助系统（ADAS）的快速普及，自动驾驶和网联汽车的不断发展，汽车行业正在经历一场范式变革。这些变革创新需要更加复杂、更加可靠的电气系统，要求系统能够处理更高的功率，同时保持安全性和能源效率。

传统的集中式配电架构依赖于大量的线束和集中式控制单元，由于布线的复杂性、线束重量和扩展性限制，集中式配电架构的可行性变得越来越低。

为了应对这些挑战，汽车行业正转向分区控制电气系统架构。按照这种区控架构概念，车辆的电气系统被划分为多个控制区，每个控区为车辆的特定子系统或区域供电。

这种分区设计降低了布线复杂性和线束重量，提高了系统的维护便利性，并增强了故障隔离能力。然而，分区架构需要创新的配电组件，满足在严格的汽车标准下，灵活、安全、高效运行的要求。

区控架构中的电源轨开关

电源轨开关（PRS）是分区控制架构中的一个关键元件，充当一个可控制的跨多条负载线的配电节点。PRS开关必须支持双向电流，以适应动态电源路由和故障管理场景。电源轨开关还需要提供稳健的安全保护机制，实现快速隔离故障，并保持系统整体稳定性。

意法半导体的STi²Fuse智能保险丝为满足这些挑战性要求而专门设计，集成了先进的软硬件功能，实现精确控制、实时诊断和快速故障响应。

本文讨论的PRS开关解决方案利用四个采用背靠背（B2B）配置的STi²Fuse器件构成双向电源开关，能够处理两条不同的输电路径，在48V电压下，电流高达150A。

这种B2B MOSFET配置在关断状态下提供对称电压阻断能力，在导通状态下支持双向电流传输，有效地复制了理想双向电源开关（BPS）的工作特性。

1. 双向电源开关（BPS）概念

BPS是一个有源开关，在导通时，可以双向传导电流；在关断时，可以双向阻止电流（图1）。

图1：双向电源开关简图.png

图1：双向电源开关简图


在BPS的理想简图中，线路L和线路R两条线路是可互换的输入端和输出端。

图2和图3所示分别是导通状态和关断状态下的BPS特性图。

图2：导通状态下的BPS特性图.png

图2：导通状态下的BPS特性图

图3：关断状态下的BPS特性图.png

图3：关断状态下的BPS特性图

通过共用漏极和背靠背（B2B）配置，两个N沟道MOSFET开关管构成一个BPS开关（图4）。

图4：在B2B配置中的两个N沟道MOSFET.png图4：在B2B配置中的两个N沟道MOSFET.png

图4：在B2B配置中的两个N沟道MOSFET

该配置提供与BPS类似的对称关断状态阻断特性。通过驱动电路控制栅极G1和G2，可以创建一条可控双向线路，如图5所示：

图5：可控双向线路示意图.png

图5：可控双向线路示意图

栅极驱动器确保开关和保护控制精确，使B2B配置成为汽车配电应用的理想选择。

2. 电源轨开关（PRS）的实现方法

如图6所示，PRS配置的实现方法是采用两条共用连接节点的双向线路，并使用STi2Fuse控制器VNF1248F驱动MOSFET栅极。

图6：电源轨开关示意图.png

图6：电源轨开关示意图


四个VNF1248F器件控制栅极信号和保护机制，以确保开关在故障条件下安全运行，安全保护功能包括：

  • 过流（OVC）保护和硬短路（HSC）保护，用于检测电流异常事故。

  • 电流时间锁断保护，用于模拟保险丝功能，可通过SPI（串行外设接口）配置该功能的全部参数。

  • 热管理功能，用于启动外部MOSFET开关管的过热关断功能。

实验结果

测量硬件是一个三层叠装电路板：

  • 一个预装专用固件的微控制器板

  • 一块安装STi2Fuse控制器的驱动板

  • 一块集成MOSFET的功率板


图形用户界面（GUI）软件用于设置四个VNF1248F控制器，并提供实时诊断反馈。

图7所示是驱动板。

图7：PRS控制器评估板.png

图7：PRS控制器评估板

当两条电源轨都出现短路时，VNF1248F器件将会做出反应，保护负载的安全。反应时间会随着过电流增大而缩短，智能保险丝内的I²t曲线配置决定反应时间。

表1列出了主要实验数据。

表1：智能保险丝反应时间实验数据.JPG

表1：智能保险丝反应时间实验数据


I²t保护测试表明，当发生高电流故障（最高85A）时，最小反应时间是10微秒，证实PRS能够快速断开故障线路，同时保持系统整体稳定性。

如图8所示，当只有一条电源轨（L2）出现短路时，VNF1248F器件就会隔离这条故障电源轨，保护负载的安全，同时，另一条正常的电源轨（L1）继续供电，维持负载功能正常运行。

图8：电源轨硬短路保护.png

图8：电源轨硬短路保护（L2）


测试分三步进行：

第一步：正常工作

  • L1和L2两条电源轨都运行正常。

  • 连到电路的灯亮，表明电流传输正常。

  • 智能保险丝1和3的栅极都处于工作状态，允许电流流动。

第二步：L2发生硬短路

  • L2突然接地（硬短路）。

  • 智能保险丝3检测到短路后锁断，强制栅极拉低电平，阻断电流，保护电路。

第三步：故障隔离

  • 智能保险丝3将L2断开，有效隔离短路。

  • 系统的其余部分仍然受到保护并正常运行。

  • 正常电源轨（L1）继续为灯供电，灯保持点亮，这个测试演示了系统的容错能力和选择性保护功能。

图9所示是在L2硬短路事件期间测得的电压和电流波形。

图9：在L2线路硬短路事件期间测量的波形.png

图9：在L2线路硬短路事件期间测量的波形

尽管L2发生故障，但是正常的电源轨（L1）保持稳定的电压和电流，确保持续向负载供电（灯保持点亮），这证明在维持系统运行和防止故障方面，双向电源开关和智能保险丝配置是有效的。

结论

本文介绍了一种创新的汽车区控架构配电解决方案，该方案利用意法半导体的STi²Fuse智能保险丝，配合背靠背MOSFET配置，实现一个双向电源轨开关（PRS）。该PRS解决方案配电灵活、安全，具有对称电压阻断和双向电流功能。

实验结果显示，该方案的故障检测速度快，隔离时间低至10微秒，负载保护能力稳健，系统稳定性出色，可以有效满足现代汽车电气系统不断变化的需求，为下一代区控架构带来更高的可靠性、可扩展性和安全性。

参考文献

[1] VNF1248F datasheet, High-Side Switch Controller with Intelligent Fuse Protection for 12 V, 24 V and 48 V Automotive Applications, Aug. 2025.

[2] H. Jang, C. Park, S. Goh, S. Park, Design of a Hybrid In-Vehicle Network Architecture Combining Zonal and Domain Architectures for Future Vehicles, 2023 IEEE 6th International Conference on Knowledge Innovation and Invention (ICKII), 11-13 Aug. 2023.

[3] H. Askaripoor, M. Hashemi Farzaneh, A. Knoll, E/E Architecture Synthesis: Challenges and Technologies, Electronics 2022, 11, 518.

[4] M. Popa, O. Luca, Overcurrent Protection for Auxiliary Loads in Electric Vehicles with E-Fuse, 2022 IEEE 20th International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC), 25-28 Sep. 2022.

文章来源：意法半导体汽车电子