汽車區域控制器架構趨勢下，這三類的典型電路設計正在改變

文章來源：安森美
汽車市場正在轉向區域控制器架構的趨勢方向，而汽車區域控制器架構正朝著分布式、集成化、智能化的方向發展，以實現更高效的數據處理、功能整合與自動駕駛支持?；趨^域控制器架構帶來很多設計的機會與挑戰，例如SmartFET正越來越多替代傳統的MOSFET器件。

SmartFET是一種集成了智能控制和保護功能的功率MOSFET器件，今天已經在電動汽車上得到廣泛應用。在傳統功率開關元件的基礎上，SmartFET增加了諸如過流、過熱、過壓保護以及實時監測和診斷等功能。通過集成電流檢測、溫度補償以及自適應開關控制技術，SmartFET能夠根據實際工作條件自動調整其行為，防止出現潛在故障，并且簡化了電路設計，減少了外部組件需求。

例如，在汽車電子領域，安森美（onsemi）提供的高邊SmartFET不僅能夠高效地切換負載，如LED照明、啟動器、車門模塊、暖通空調和其他執行器，還具有主動浪涌電流管理、過溫關斷與自動重啟以及主動過壓鉗位等特性，從而極大地提升了整個系統的穩定性和使用壽命。

從高邊驅動到低邊驅動，SmartFET的多效“收益”通常在使用MOSFET的時候，首先要有合適的驅動，例如一個合適的門極電阻。同時為了防止場效應管的損壞，我們還要有各種保護措施，例如過流過溫和過壓的保護電路，來保證其長期可靠運行不致損壞。通常這些保護電路都是由分立器件達成，既增加系統成本，同時也占據了較大的PCB空間。

而SmartFET產品把這些驅動和監測保護電路都集成到標準MOSFET的封裝里面，因此一個SmartFET有兩個主要部件組成：首先它有一個基于標準MOSFET的功率級負責向負載提供電流；第二個就是控制級，這里面主要是指MOSFET的驅動和監測保護電路，有了這個控制級就能夠正確的開關MOSFET，同時能夠防止其損壞。這樣既可以增加MOSFET使用的可靠性，同時也能節省系統成本，以及減少PCB占用的空間。這些優點使得SmartFET在汽車電子里面得到了廣泛的使用。


高低邊驅動是用于控制電路中負載通斷的兩種基本方法，它們在電源管理、電機控制和汽車電子等領域廣泛應用。具體來說：

低邊驅動（Low Side Driver, LSD）：在一個直流電源供電的電路中，低邊驅動是指通過控制連接到負載地線（或接地端）的開關元件來實現對負載電流的接通和關斷。當這個“開關”（通常是MOSFET或晶體管）導通時，負載可以形成回路并從電源汲取電流；當開關關斷時，負載與地之間的路徑被切斷，從而停止電流流動。

高邊驅動（High Side Driver, HSD）：高邊驅動則是指通過控制連接到負載電源正極一側的開關元件來控制負載電流。高邊驅動相對復雜一些，因為它需要處理的問題包括確保柵極驅動電壓高于電源電壓以保證MOSFET有效開啟，并且必須考慮電荷泵或者自舉電路來提供足夠的柵極驅動電壓。當高邊開關導通時，負載與電源之間形成通路開始工作；而開關關斷時，負載失去上端電源供應，電流不再流過負載。

總結起來，在一個電源和負載之間，如果通過控制下側（靠近地線）的開關來控制負載，就是低邊驅動；如果通過控制上側（靠近電源正極）的開關來控制負載，則是高邊驅動。這兩種方式都有各自的優缺點和適用場景，設計時根據系統需求、效率、安全性等因素選擇合適的方式。

高邊SmartFET的三大類典型應用由于集成了各種檢測和保護電路，高邊SmartFET事實上能夠處理各種各樣的負載。常見的我們可以分為三大類應用。



第一大類就是燈泡和電容負載。這類負載的特點是他們在剛開始導通的時候，會有一個浪涌電壓。例如燈泡在冷態的時候，它的電阻比較小。剛開始導通的時候的電流會遠遠大于它的額定電流。電容更是如此，在剛開始導通的時候它有一個充電電流。這個時候就要求高邊的SmartFET能處理這個浪涌電流。這些典型的負載如車內外的照明，或者像在ECU里常見的各類DCDC電源模塊，等等。

第二種負載就是感應負載。像各種電機和繼電器這類負載他們有一個共同的特點，里面有能量的線圈在斷開的時候是要有一個續流的回路，同時在原邊線圈里面可能會產生一個感應電壓（也叫做反激電壓）。這些反激電壓會在功率器件上產生過壓，必須要把這個過壓鉗制到合理的范圍，確保不會引起MOSFET功率開關的損壞。這類負載例如雨刷器、啟動器、車門模塊、暖通空調(HVAC)、燃油噴射器、電動助力轉向、油門控制等的電機和繼電器等。

第三類就是電阻式負載。電阻式負載本身既沒有浪涌電流也沒有過壓的情況出現，但是為了及時知道負載的變化，需要精確的電流檢測能力。例如在LED應用中，當一串LED燈珠如果其中有一顆LED發生了損壞，這一串LED的燈串的電流就會發生變化。這個變化可能不大，但是需要及時準確的把它檢測出來。這類應用除了LED照明以外，還包括加熱單元、變速器和發動機管理系統等。

區域控制器架構趨勢下的SmartFET應用當前汽車市場的一個重要趨勢是汽車電子電氣架構已經開始轉向區域控制器架構。區域控制器架構用來替代已經廣泛使用的域控制器架構。所謂區域控制器架構，就是電子控制單元是按照特定區域的物理位置，而不是按照功能來組織和劃分的。例如左車身、右車身和前車身等等，就近相應所需要的功能按照物理位置把它組織起來，組成一個區域控制器。這些區域控制器是通過高速的以太網來連接起來。這些以太網不僅傳遞和處理數據，同時也傳遞和分配電源，從而大大減少線束的復雜度和重量（值得一提的是，目前線束是電動汽車上第三重和第三貴的部件）。
可以簡單的歸結為在區域控制器架構正在以網絡取代線束，即以前域控制器里面的線束現在變成了網絡。這個網絡不僅是數據網絡，同時也是電源網絡。區域控制器架構由于它是由以太網組成的一個環形網，因此它很容易擴展，可以根據低、中、高不同檔位的配置來加減相應的區域控制。這樣的話，就很容易實現快速的產品市場投放。

基于區域控制器架構不僅數據是通過網絡進行傳遞和處理，同時電源也是通過網絡進行按級分配。因此其中SmartFET會有很大的用處：用作整個區域控制器的efuse保險絲來保護電路，不至于因為浪涌電流或高壓造成損壞；同時它也可以控制整個區域控制器架構的電源的通斷；還可以通過SmartFET來決定什么時候把負載接到電源上面，什么時候把負載從電源上斷開。

安森美SmartFET的這些特點讓應用更容易SmartFET是一種先進的半導體開關解決方案，旨在為汽車和工業應用提供高效、可靠的電源管理。其結構融合了垂直功率MOSFET和智能控制邏輯，實現了緊湊的封裝和優化的性能。設計理念著重于提供高度集成的保護特性，如過溫保護、過載保護和短路保護，以確保系統在各種故障情況下的安全運行。SmartFET還具備模擬電流檢測輸出，支持精確的負載監控。
作為SmartFET產品技術的主要供應用，安森美在產品設計中考慮了與控制器的兼容性，使得在不同尺寸和不同RDS(ON)的SmartFET之間切換變得更容易，為應用提供更大的靈活性。安森美整個系列從1毫歐到60毫歐，從1安培到20安培，都具有相同的封裝，以及相同的絲印，也有相同的指令結構和相同的高可靠性。因此，在設計制作區域控制器架構PCB板的時候，具有相當的通用性和靈活性，不會因為外部負載變化而要重新制作PCB板，這是一個非常大的優勢。