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48V电源系统可恢复eFuse的设计秘诀,在这里!

发布时间:2022-08-10 来源:贸泽电子 责任编辑:wenwei

【导读】在汽车行业,从传统的12V配电系统向48V配电系统升级的趋势越来越明显。特别是在全球节能减碳的大背景下,随着人们对于48V电源系统的环保和经济价值的深入认知,在这条升级之路上的探索也越来越活跃。


大家都知道,以往汽车上的车载电子设备所需的电能,是将发动机的一部分动力转换为电能并存储在12V的蓄电池中,并通过12V的电源总线分配给各个用电单元。但是随着汽车架构和功能的升级,这种12V的配电系统使用起来越发显得捉襟见肘。


究其原因,一方面这是12V配电系统限制了传输功率的进一步提升,而随着汽车电动启停系统的应用,以及空调、ADAS和自动驾驶等更多汽车电子新功能的入驻,必须要找到打破这种功率“天花板”的有效方法。另一方面,总系统负载功率增加后,如果电压不变就需要增加电流以满足传输更高功率的要求,这不仅会增加电能在传输过程中的功率耗散,也会增加所需电源线缆的直径以及其他相关组件的尺寸,进而增加整车的重量,产生更多的能耗。


而如果采用48V配电系统,对于提升系统功率和降低能耗显然是大有裨益。有研究数据表明,48V轻混系统可以降低15-20%左右的整车能耗和排放,因此48V电源系统也被认为是驱动传统汽车向新能源汽车转型的重要技术因素。


迈过48V电源系统技术门槛


当然,作为一种新的电源架构,48V系统在规模化商用的过程中,还是有很多技术“门槛”需要去攻克。比如,当车辆采用48V电源系统,在高电流负载与电池之间进行开关操作时,就需要面对新的安全和可靠性挑战。


在传统的12V电源系统中,这样的开关操作通常是由机械继电器完成的。当继电器两个触点断开时会产生电弧,该电弧会随着触点之间距离的增加在数毫秒内自行熄灭。而在48V系统中,由于传输的功率更高,想要电弧自行熄灭就需要采用具有更大接触距离的继电器,或是增加额外的灭弧控制电路,这不但会增加系统整体的成本,并且额外的触点磨损还会降低继电器的预期寿命。因此,48V电源系统在进行电池和大电流负载(如电动助力转向、电动涡轮增压器等)间的开关操作时,需要一种新的方案。


为此,Vishay推出了一种自恢复电子保险丝参考设计(如图1所示)。该方案可以在48V电压下开关高达200A的负载,而整个方案都“浓缩”在一块小型的双面FR4印刷电路板上,且仅需被动冷却即可。这个电子保险在安全可靠地实现开关操作的同时,还能够提供必要的电路保护功能,且所有操作都是可恢复的,比传统的机械继电器具有更长的使用寿命。


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图1:48V自恢复电子保险丝参考设计

(图源:Vishay)


图2显示了这个电子保险丝参考设计的电路。其采用两组MOSFET(TR2/TR3)以双向排列方式连接,以用来处理高负载电流,并且可以防止在负载停用后电流通过MOSFET体二极管回流。每个开关需要10个Vishay SQJQ160E汽车用N沟道MOSFET并联连接,使得通路阻抗最小化,以降低功耗。在200A工作条件下,可将总功耗限制在10W以内。


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图2:48V自恢复电子保险丝参考设计电路图

(图源:Vishay)


为了防止短路情况下对负载造成损害,该设计使用了四颗并联的300μΩ分流电阻(图2中的R2,Vishay的WSLP3921)连续测量负载电流。当检测到电流过载时,控制器可以快速断开电池与短路负载的连接。同时,车身控制模块还可以经由串行接口通过,连续电流测量来监测车载蓄电池的充电水平、续航寿命等运作状况。


在开关启动的过程中,还经常会遇到一种情况——第一次将电池连接到负载时,由于负载中存在未充电的电容器组,可能会产生高峰浪涌电流。这可能会造成下级元件的损坏,也会影响电池的使用寿命,因此,必须使用预充电电路将浪涌电流限制在一个可接受的水平。


为了应对这一问题,本参考设计采用了Vishay的SQJA84E MOSFET(TR1)、VSS8D5M6肖特基二极管和D2TO20 SMD功率电阻(R1)将浪涌电流在48V时的最大值限制在5A。其设计思路是,负载通电之前,在一个10ms预定时间内接通TR1,并监测输出电压X3——如果输出电压未达到输入电压的90%,假设负载或接线短路,则该过程终止;如果输出达到适当的水平,则关闭TR1,然后打开TR2/TR3以接通负载。肖特基二极管的作用是在关闭时防止电流通过MOSFET体二极管回流。


此外,在保护特性方面,该参考设计采用Vishay的在热应力下具有优秀机械可靠性的NTCS0805 (NTC1)来监测温度。同时,使用两颗串联的TVS二极管—— XMC7K24CA(D1a)和5KASMC30A(D1b)—— 来保护电路和敏感元器件免受车辆负载瞬态高能量的冲击。


总之,这是一款各方面考虑非常周全、功能完备、性能出众的电子保险丝参考设计,可以作为传统机械继电器的替代方案,满足48V车载电源系统的设计要求。


电子保险丝参考设计BOM分析


如果我们仔细分析,成就这样一款“高规格”参考设计的秘诀,除了独特的设计思路,缜密的设计考量,还在于其采用的关键元器件各个都是精挑细选、性能突出的“干将”。今天我们就不妨深入到这款48V自恢复电子保险丝参考设计的BOM中,一探究竟。


SQJQ160E汽车用N沟道MOSFET


由上文的分析可以看出,Vishay 48V自恢复电子保险丝的核心开关功能,主要是通过10个SQJQ160E实现的。SQJQ160E是Vishay / Siliconix开发的汽车用N沟道MOSFET,其采用TrenchFET®️Gen IV技术,具有极低的漏极-源极导通电阻(VGS= 10V时仅为0.00085Ω),因此可以有效降低导通损耗和整体功耗。


由于采用了紧凑的PowerPAK®️8 x 8L封装,SQJQ160E具有出色的热性能,工作结温和存储温度为-55°C至+175°C。该产品符合AEC-Q101标准,并且满足无卤、无铅、RoHS指令等环保要求,可以说是高功率密度汽车应用的理想之选。


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图3:SQJQ160E汽车用N沟道MOSFET

(图源:Vishay)


D2TO20 SMD功率电阻


在限制负载浪涌电流的预充电电路设计中,Vishay / Sfernice的D2TO20SMD功率电阻是一颗很关键的元件,由于独特的物理结构和集成散热片,该厚膜电阻提供了优秀的功率处理和热传导特性。


D2TO20 SMD功率电阻采用TO-263(D2PAK)封装的表面贴装非电感性功率电阻,外形紧凑,具有0.01Ω至550Ω的电阻值范围,在25°C时功率为20W。该产品符合AEC-Q200标准,对汽车应用再合适不过了。


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图4:D2TO20 SMD功率电阻

(图源:Vishay)


XMC7K24CA XClampR™ TVS二极管


Vishay 48V自恢复电子保险丝方案在瞬态电压抑制功能方面,Vishay General Semiconductor的XMC7K24CA XClampR™ TVS二极管扮演着重要的角色。


具体来讲,XMC7K24CA具有超低钳位电压、低漏电流和7000W峰值脉冲功率(PPPM),其最大工作电压(VWM)为24V,峰值脉冲电流(IPPM)为180A,存储温度范围(TSTG)为-55°C至175°C。特别值得一提的是,该TVS二极管具有高温稳定性和高可靠性,符合AEC-Q101标准,将它收录在汽车48V电源相关解决方案的BOM中,显然是明智之选。


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图5:XMC7K24CA XClampR™ TVS二极管

(图源:Vishay)


本文小结


汽车48V电源系统的发展是大势所趋,但也像所有的技术升级之路一样,这个过程并非坦途,需要新的技术和方案来填坑过坎。


比如,在进行电池与大电流负载之间的开关操作时,就需要使用自恢复电子保险丝替代传统的机械继电器方案,以满足更安全、更可靠的设计要求。


Vishay按照这一设计要求打造的自恢复电子保险丝参考设计,既有设计上的匠心,也有选料上的精心,参透了其中的设计秘诀,汽车48V电源系统的应用开发也会变成一条坦途,让你可以在上面加速狂奔。


来源:贸泽电子



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