• 关键词：意法半导体,智能保险丝
• 摘要：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。

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

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

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

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。

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。

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。