【導讀】汽車智能化與電動化的浪潮，正深刻重構傳統的分布式電子電氣架構。為應對激增的傳感器、高算力域控制器與高壓負載帶來的復雜供電挑戰，一種以區域為核心的集中式配電架構（Zonal Architecture）正成為行業共識。如今的汽車電氣系統，不僅要具備更高的復雜性，以應對日益復雜的車輛功能；還需擁有超高的可靠性，保障行車安全；更要能夠處理大幅提升的功率，同時兼顧能源效率，實現綠色出行。在此背景下，創新汽車區控架構配電解決方案應運而生，成為行業發展的關鍵支撐。
汽車智能化與電動化的浪潮，正深刻重構傳統的分布式電子電氣架構。為應對激增的傳感器、高算力域控制器與高壓負載帶來的復雜供電挑戰，一種以區域為核心的集中式配電架構（Zonal Architecture）正成為行業共識。如今的汽車電氣系統，不僅要具備更高的復雜性，以應對日益復雜的車輛功能；還需擁有超高的可靠性，保障行車安全；更要能夠處理大幅提升的功率，同時兼顧能源效率，實現綠色出行。在此背景下，創新汽車區控架構配電解決方案應運而生，成為行業發展的關鍵支撐。
傳統的集中式配電架構依賴于大量的線束和集中式控制單元，由于布線的復雜性、線束重量和擴展性限制，集中式配電架構的可行性變得越來越低。
為了應對這些挑戰，汽車行業正轉向分區控制電氣系統架構。按照這種區控架構概念，車輛的電氣系統被劃分為多個控制區，每個控區為車輛的特定子系統或區域供電。
這種分區設計降低了布線復雜性和線束重量，提高了系統的維護便利性，并增強了故障隔離能力。然而，分區架構需要創新的配電組件，滿足在嚴格的汽車標準下，靈活、安全、高效運行的要求。
區控架構中的電源軌開關
電源軌開關 (PRS)是分區控制架構中的一個關鍵元件，充當一個可控制的跨多條負載線的配電節點。PRS開關必須支持雙向電流，以適應動態電源路由和故障管理場景。電源軌開關還需要提供穩健的安全保護機制，實現快速隔離故障，并保持系統整體穩定性。
意法半導體的STi2Fuse 智能保險絲為滿足這些挑戰性要求而專門設計，集成了先進的軟硬件功能，實現精確控制、實時診斷和快速故障響應。
本文討論的PRS開關解決方案利用四個采用背靠背 (B2B) 配置的 STi2Fuse 器件構成雙向電源開關，能夠處理兩條不同的輸電路徑，在 48V 電壓下，電流高達 150A。
這種 B2B MOSFET 配置在關斷狀態下提供對稱電壓阻斷能力，在導通狀態下支持雙向電流傳輸，有效地復制了理想雙向電源開關 (BPS) 的工作特性。
1. 雙向電源開關（BPS）概念
BPS是一個有源開關，在導通時，可以雙向傳導電流；在關斷時，可以雙向阻止電流（圖 1）。
圖 1 雙向電源開關簡圖
在 BPS 的理想簡圖中，線路 L 和線路 R兩條線路是可互換的輸入端和輸出端。
圖2和圖3所示分別是導通狀態和關斷狀態下的BPS特性圖。
圖2：導通狀態下的BPS特性圖
圖3：關斷狀態下的BPS特性圖
通過共用漏極和背靠背 (B2B)配置，兩個N 溝道 MOSFET開關管構成一個BPS開關(圖4)。
圖 4：在B2B配置中的兩個 N 溝道 MOSFET
該配置提供與BPS類似的對稱關斷狀態阻斷特性。通過驅動電路控制柵極G1和G2，可以創建一條可控雙向線路，如圖5所示：
圖 5： 可控雙向線路示意圖。
柵極驅動器確保開關和保護控制精確，使 B2B 配置成為汽車配電應用的理想選擇。
2. 電源軌開關 (PRS) 的實現方法
如圖 6 所示，PRS配置的實現方法是采用兩條共用連接節點的雙向線路，并使用 STi2Fuse 控制器 VNF1248F 驅動 MOSFET 柵極。
圖6： 電源軌開關示意圖。
四個 VNF1248F 器件控制柵極信號和保護機制，以確保開關在故障條件下安全運行，安全保護功能包括：
? 過流（OVC）保護和硬短路（HSC）保護，用于檢測電流異常事故。
? 電流時間鎖斷保護，用于模擬保險絲功能，可通過 SPI（串行外設接口）配置該功能的全部參數。
? 熱管理功能，用于啟動外部 MOSFET開關管的過熱關斷功能。
實驗結果
測量硬件是一個三層疊裝電路板：
? 一個預裝專用固件的微控制器板
? 一塊安裝STi2Fuse控制器的驅動板
? 一塊集成MOSFET 的功率板。
圖形用戶界面 (GUI)軟件用于設置四個 VNF1248F 控制器，并提供實時診斷反饋。
圖7所示是驅動板。
圖 7：PRS 控制器評估板。
當兩條電源軌都出現短路時，VNF1248F器件將會做出反應，保護負載的安全。反應時間會隨著過電流增大而縮短，智能保險絲內的 I2t 曲線配置決定反應時間。
表1列出了主要實驗數據。
表1：智能保險絲反應時間實驗數據。
I2t 保護測試表明，當發生高電流故障(最高85A)時，最小反應時間是10微秒，證實 PRS 能夠快速斷開故障線路，同時保持系統整體穩定性。
如圖 8 所示，當只有一條電源軌(L2)出現短路時，VNF1248F器件就會隔離這條故障電源軌，保護負載的安全，同時，另一條正常的電源軌 (L1)繼續供電，維持負載功能正常運行。
圖8 ：電源軌硬短路保護（L2）。
測試分三步進行：
第一步：正常工作
? L1 和 L2兩條電源軌都運行正常。
? 連到電路的燈亮，表明電流傳輸正常。
? 智能保險絲 1 和 3 的柵極都處于工作狀態，允許電流流動。
第二步：L2發生硬短路
? L2突然接地（硬短路）
? 智能保險絲 3 檢測到短路后鎖斷，強制柵極拉低電平，阻斷電流，保護電路。
第三步：故障隔離
? 智能保險絲 3 將 L2 斷開，有效隔離短路。
? 系統的其余部分仍然受到保護并正常運行
? 正常電源軌（L1）繼續為燈供電，燈保持點亮，這個測試演示了系統的容錯能力和選擇性保護功能。
圖 9 所示是在L2 硬短路事件期間測得的電壓和電流波形。
圖9：在L2線路硬短路事件期間測量的波形。
盡管 L2 發生故障，但是正常的電源軌 (L1) 保持穩定的電壓和電流，確保持續向負載供電（燈保持點亮），這證明在維持系統運行和防止故障方面，雙向電源開關和智能保險絲配置是有效的。
結論
本文介紹了一種創新的汽車區控架構配電解決方案，該方案利用意法半導體的 STi2Fuse 智能保險絲，配合背靠背 MOSFET配置，實現一個雙向電源軌開關(PRS)。該PRS解決方案配電靈活、安全，具有對稱電壓阻斷和雙向電流功能。
實驗結果顯示，該方案的故障檢測速度快，隔離時間低至 10 微秒，負載保護能力穩健，系統穩定性出色，可以有效滿足現代汽車電氣系統不斷變化的需求，為下一代區控架構帶來更高的可靠性、可擴展性和安全性。
參考文獻
[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.
推薦閱讀：
