汽车配电架构发展史 — efuse 时代来袭
随着汽车产业电动化和智能化的推进，未来汽车配电架构需要更高的安全性，可靠性和灵活性。智能配电架构通过采用半导体器件 (比如电子保险丝) 替代机械保险丝和继电器，实现了可靠的配电，快速的隔离，精确的控制，和丰富的诊断功能，是未来智能配电架构不可或缺的组件。
传统的配电架构是什么？
传统的配电架构主要依赖于机械式元器件，比如机械保险丝和继电器，通过插入式或者 PCB 控制器盒完成电源分配。这种传统的电气架构和控制逻辑相对简单。具体来看，通常包括一级配电和二级配电。一级配电靠近电源，通常放置于发动机舱中。二级配电可以是多个配电盒，通常放置于驾驶舱、仪表盘、或后备箱。
传统的配电盒由机械保险丝和继电器组成，简单成本效益高，但存在一些明显的局限性。比如，保险丝熔断后无法重置，且其熔断时间长，受环境温度和寿命老化影响大，无法实现“什么时候断，什么时候不断”的精确控制，更无法提供实时监测和故障诊断功能。
未来智能配电架构的需求是什么？
随着整车电子电气架构的发展，智能驾驶功能要求越来越高，传统的配电架构已经无法满足现代整车智能化，电动化和互联化的要求。这些不足促使汽车行业向更高效、更可靠、更智能的配电方案转型，从而具有更快的反应速度，更高的保护精度和更全面的监测功能。传统的机械保险丝和继电器无法满足未来的整车智驾场景，例如：
案例1 主动变道功能
通过车辆的雷达，摄像头等传感器检测周围环境。当系统检测到条件安全时，可自动执行变道操作。如果传感器、摄像头等关键部件供电失效而无法正常工作，可能导致系统无法检测到相邻车道的空闲状态或障碍物，从而引发非预期变道，增加与相邻车道车辆碰撞的风险。
案例2 全速自适应巡航功能
能够在车速 0-180km/h 的范围内，甚至在城市拥堵路况下，通过自动调整车速来保持与前车的安全距离，从而实现自动排队和跟车。自适应巡航结合了传感器技术，能够感知前方车辆的状态，并通过控制油门和刹车来实现车辆的自动加速、减速和跟车功能。例如，机械保险丝或者继电器配电通道故障无法快速关断，导致同一配电网络中刹车模块突然供电不足而无法正常工作，车辆无法自动调整速度以保持与前车的安全距离，从而造成追尾事故。
案列3 自动解锁功能
在汽车发生碰撞时要求自动解锁车门 (法规 ECE R94/R95)，一般乘客能够迅速逃生，同时方便救援人员进入车内施救。如果碰撞导致保险丝或者继电器松动或脱落，从而中断供电回路，使得自动解锁功能无法正常工作，严重影响救援。
综上所述，自动驾驶系统 (如 SAE J3016：2021 中定义的 Level 3 至 Level 5 级别) 和完全线控系统 (如线控制动、线控转向) 对整车配电网络提出了新需求：
- 配电网络的可用性 fail operational
- 故障配电快速隔离 faulty power isolation，以确保在多点故障情况下仍能保持系统的安全稳定的工作
德国汽车工业协会在 ISO26262 的大框架下，2023 年 4 月推出了指导性质的标准 VDA 450，旨在提供满足自动驾驶系统及线控系统的整车冗余供电网络的功能安全要求的设计指南。
机械保险丝或者继电器在发生过载或者短路时，可能需要几百毫秒甚至几秒钟的时间才能熔断 (如下图），无法满足智能配电快速切断和故障隔离的要求，导致系统供电网络的不稳定性，大大降低了车辆的可靠性和安全性。
智能配电架构是什么形式？
智能配电架构通过采用半导体器件 (高边开关芯片、efuse 芯片、MOSFET)，逐步取代机械保险丝和继电器，实现了设备供电，状态采集，智能检测，故障快速隔离和用电管理的集成化。通过智能化和模块化的设计，实现更高效、安全和灵活的配电网络，提供了系统的可靠性，还降低了线束冗余设计。
同时，智能配电架构从传统的集中式配电逐步转向分布式架构。集中式配电是将电能从电池分配到各个负载系统，而分布式架构则通过多个小配电中心实现区域控制。这种分布式架构能够优化车辆的电气性能，减少线束连接数量，提高系统的可靠性。
电子保险丝是智能配电系统的核心元件，它集成了保护和开关功能，能够实时诊断，自动复位，快速响应，I2t/I-t 线束保护，并支持 OTA 升级。电子保险丝还支持低功耗负载供电和自恢复功能，提升了配电网络的安全性和效率。如下图所示，与传统保险丝相比，电子保险丝能够提供更精确，灵活的保护机制，更好的服务于自动驾驶系统和完全线控系统的配电安全需求。
电子保险丝如何适配未来智能配电架构的需求？
电子保险丝在未来智能配电架构中扮演了至关重要的角色，通过其高效可靠、精确控制、快速响应、灵活配置、智能监测的特点，显著提升了汽车配电系统的安全性和稳定性，推动了汽车智能驾驶高阶化进程。
随着汽车电动化和智能化程度的提供，电子保险丝的应用场景将更加广泛，如下图所示，其稳定的性能和灵活的配置使其成为汽车智能配电架构的重要组件。
LCSP (负载控制和自我保护)：
打开和关闭负载，并实现芯片自我保护。主要是替换原来继电器的应用场景。可放置在配电盒或者直驱负载。
LSP (负载供电保护)：
保护连接到输出的电源基础设施。一个典型的应用，摄像头控制器是由数据同轴电缆连接，在此同轴电缆中有滤波器放置在对应的数据和电源侧。滤波器对于电流尖峰很敏感，需要特别的保护策略来避免损坏，比如电流钳位保护机制。
PCI (电源连接和隔离)：
为了支持自动驾驶的可靠电源，需要冗余配电。大多数的情况，只有一个能源发电机来给若干个电池充电。所以两个电池会连接在一起，连接到发电机。如果有一个电源失效，PCI模块需要快速断开失效电源，避免故障传播，确保冗余电源的独立性。PCI模块也会被使用在高要求系统，比如自动驾驶模块配电，需要冗余配电。
BP (电源保护)：
在整车上，新的电源技术将会被应用，比如锂电池。锂电池对于短路或者过充是非常敏感的。在配电系统中故障发生，需要智能开关快速断开来保护电源。
DX (数据交换)：
提供相应的配电数据给微控制器，配电数据比如电压、电流、温度。云端也可根据这些数据来分析系统性能。
WP (线束保护)：
线束过流保护，避免线束过温损坏。主要是替换原来机械保险丝的应用场景。
PSP (电源保护)：
隔离负载错误传播到配电。为了支持自动驾驶的可靠电源，智能开关是必须的，避免非功能安全相关的负载配电错误，产生级联错误，从而影响功能安全相关负载配电。
ADP (驻车常配电)：
整车在驻车和休眠状态下，有些负载仍需要配电，比如无钥匙进入系统、防盗系统。除此之外，需要配电芯片自身静态功耗低，以避免电池馈电，同时如果发生短路等故障，保护功能需要激活。
VCI (电压转换和隔离)：
为了支持 48V 应用，发电机会应用在 48V 上，需要 48V-12V DC/DC 模块。如果 DC/DC 模块发生故障，智能开关需要快速断开 48V 配电域和 12V 配电域的连接，从而避免 12V 配电系统的损坏。
颇具挑战的是，当前行业对相关失效分析考虑的维度不充分，但好在 VDA 450 给出了完整的考虑点：既关注两路供电通道之间的独立性，又关注单个通道内部不同负载之间的潜在干扰。而在这两个维度上，都需要谨慎地考虑短路故障所造成相关失效。有一种故障表现我们不得不考虑，当某个负载发生短路故障时，由于短路电流非常大，整个供电网络的电压会被瞬间拉低，其他 ZCU/ECU 可能因为电压过低而无法工作。该欠压以及该控制单元的所有其他相关故障不会导致在同一电源的其他通道违反安全相关功能 (例如环境感知、逻辑、执行器) 的安全要求。这个时候快速反应就是重中之重！
英飞凌的智能配电解决方案
英飞凌的智能功率开关覆盖了未来汽车智能配电架构的所有应用场景，如下图所示。英飞凌的智能功率开关不仅能够替代机械保险丝和继电器，而且提供额外的高级功能，包括诊断和电流检测、更高的可靠性和重启可能性。当驱动不同类型的负载时，它们提供出色的短路、过流和过热保护，广泛应用于汽车电子系统中，特别是分布式电源架构和智能配电网络中发挥了重要的作用，提升了整车的可靠性和安全性。
英飞凌的智能功率开关产品组合包括低边和高边开关，可作为单通道和多通道器件，适用于广泛的 12V、24V和 48V 汽车应用。凭借汽车质量认证和先进的功能， 英飞凌的智能功率开关是高性能、可靠性和支持功能安全要求的汽车应用的理想选择。
PROFET™ 智能高边开关包括 POFET™+2、POWER PROFET™+、PROFET™+ LoadGuard、PROFET™+ WireGuard，通过提供 μs 级快速开关、过载、短路、过热、接地损耗和电源损耗保护，取代机械保险丝和继电器。此外，不同的 PROFET™ 智能高边开关系列可以防止动态过压，例如抛负载和感性负载关断。PROFET™ Guard 系列是最先进的智能高边开关系列，可满足汽车电力分配系统的最新需求 (例如，功能安全 ISO 26262）。
EiceDRIVER™ APD 栅极驱动器和 MOSFET 旨在取代继电器和机械保险丝，并提供额外的保护和诊断功能。它们的使用提高了电力分配系统的可靠性。受益于不到 100µs 的快速故障隔离、额外的诊断功能和改进的保护功能，例如集成了 I-t 线束保护。
SPOC™+2 是高边多通道智能功率开关，集成了 SPI 串行接口，提供最先进的诊断和保护功能。它具有很高的灵活性，具有可配置的功能，例如开关速率控制和智能重启策略。其 SPI 接口允许通过菊花链配置连接多个设备，以减少 GPIO 的数量。
HITFET™+ (高度集成温度保护 FET) 系列是英飞凌智能低边开关的解决方案。其内置的智能保护功能可防止过流、过压、短路、过热和静电放电 (ESD）。HITFET™+ 系列采用更小的封装尺寸，具有均衡的短路鲁棒性、高速 PWM 应用中的能量耗散和诊断。
总结
“端到端” 智驾元年，智驾高需求又强关联 efuse！
2024 年，我国乘用车智能驾驶快速发展，渗透率快速提升；2025 年，大势所趋，智能驾驶必将从量的积累到质的大飞跃，这也是确保中国新能源汽车继续处于领先地位的下一个关键所在！智能驾驶技术作为未来出行的重要趋势和方向之一，其安全性问题始终是我们需要高度关注的重视的焦点，所谓“聪明车”必须是“安全车”。于此，英飞凌持续创新，推出了多个系列产品 (如前文所强调），适应智驾汽车更高功能安全，完整解决方案去更好支持“聪明车”还更安全，为中国新能源车保驾护航！
欲了解更多技术细节和英飞凌相关产品信息，您可以点击下方「联系我们」，提交您的需求，骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。