汽車配電架構發展史—eFuse時代來襲

-------轉自英飛凌汽車生態圈

前言

隨著汽車產業電動化和智能化的推進，未來汽車配電架構需要更高的安全性、可靠性和靈活性。智慧配電架構透過採用半導體元件（例如電子保險絲）取代了機械保險絲和繼電器，實現了可靠的配電、快速的隔離、精確的控制以及豐富的診斷功能，是未來智慧配電架構中不可或缺的元件。

問題1：傳統的配電架構是什麼？

傳統的配電架構主要依賴於機械式元件例如機械保險絲和繼電器，通過插入式或PCB控制器盒完成電源分配。這種傳統的電氣架構和控制邏輯相對簡單。具體來說，通常包括一級配電和二級配電。一級配電靠近電源，通常放置於引擎室中。二級配電可以是多個配電盒，通常放置於駕駛艙、儀表板或後車廂。

傳統的配電盒由機械保險絲和繼電器組成，簡單且成本效益高，但存在一些明顯的局限性。例如，保險絲熔斷後無法重置，且其熔斷時間長，受環境溫度和壽命老化影響大，無法實現「什麼時候斷，什麼時候不斷」的精確控制，更無法提供即時監測和故障診斷功能。

問題2：未來智慧配電架構的需求是什麼？

隨著整車電子電氣架構的發展，智慧駕駛功能的要求越來越高，傳統的配電架構已經無法滿足現代整車智慧化、電動化和互聯化的需求。這些不足促使汽車行業向更高效、更可靠、更智慧的配電方案轉型，從而具備...更快的反應速度、更高的保護精度以及更全面的監測功能。
 

傳統的機械保險絲和繼電器無法滿足未來整車智慧駕駛場景，例如：

案例1 主動變換車道功能：透過車輛的雷達、攝影機等感測器偵測周圍環境。當系統偵測到條件安全時，可自動執行變換車道操作。如果感測器、攝影機等關鍵元件供電失效而無法正常運作，可能導致系統無法偵測到相鄰車道的空閒狀態或障礙物，從而引發非預期的變換車道，增加與相鄰車道車輛碰撞的風險。

案例2 全速自適應巡航功能：能夠在車速0-180km/h的範圍內，甚至在城市塞車路況下，透過自動調整車速來保持與前車的安全距離，從而實現自動排隊和跟車。自適應巡航結合了感測器技術，能夠感知前方車輛的狀態，並透過控制油門和煞車來實現車輛的自動加速、減速和跟車功能。例如，機械保險絲或者繼電器配電通道故障無法快速斷開，導致同一配電網路中煞車模組突然供電不足而無法正常運作，車輛無法自動調整速度以保持與前車的安全距離，從而造成追尾事故。

案例3 自動解鎖功能：在汽車發生碰撞時要求自動解鎖車門（法規ECE R94/R95），一般乘客能夠迅速逃生，同時方便救援人員進入車內施救。如果碰撞導致保險絲或者繼電器鬆動或脫落，從而中斷供電迴路，使得自動解鎖功能無法正常運作，將嚴重影響救援。

綜上所述，自動駕駛系統（如SAE J3016：2021中定義的Level 3至Level 5級別）以及完全線控系統（如線控制動、線控轉向）對整車配電網路提出了新需求句子：1。配電網路的可用性故障操作， 2，故障配電快速隔離，以確保在多點故障情況下仍能保持系統的安全穩定運作。

德國汽車工業協會在ISO26262在大框架下，於2023年4月推出了指導性質的標準。VDA 450旨在提供滿足自動駕駛系統及線控系統的整車冗餘供電網路的功能安全要求的設計指南。

機械保險絲或者繼電器在發生過載或者短路時，可能需要幾百毫秒甚至幾秒鐘的時間才能熔斷（如下圖），無法滿足智能配電快速切斷和故障隔離的要求，導致系統供電網路的不穩定性，大大降低了車輛的可靠性和安全性。

問題3：智慧配電架構是什麼形式？

智慧配電架構通過採用半導體元件（高邊開關晶片、efuse晶片、MOSFET），逐步取代機械保險絲和繼電器，實現了設備供電、狀態採集、智能檢測。故障快速隔離和用電管理的整合。透過智慧化和模組化的設計，實現更高效、安全且靈活的配電網路，不僅提升了系統的可靠性，還減少了線束冗餘設計。

同時，智慧配電架構正逐步從傳統的集中式配電轉向分散式架構集中式配電是將電能從電池分配到各個負載系統，而分散式架構則透過多個小型配電中心實現區域控制。這種分散式架構能夠優化車輛的電氣性能，減少線束連接數量，並提高系統的可靠性。

電子保險絲是智慧配電系統的核心元件它整合了保護和開關功能，能夠即時診斷，並自動復位。快速回應I2t/I-t線束保護，並支援OTA升級。電子保險絲還支援低功耗負載供電和自我恢復功能提升了配電網路的安全性和效率。如以下圖所示，與傳統保險絲相比，電子保險絲能夠提供更精確、靈活的保護機制，更好地滿足自動駕駛系統和完全線控系統的配電安全需求。

電子保險絲在未來智慧配電架構中扮演了至關重要的角色，透過其高效可靠、精確控制，快速回應靈活配置、智能監測的特點，顯著提升了汽車配電系統的安全性和穩定性，推動了汽車智慧駕駛高階化進程。

隨著汽車電動化和智能化程度的提升，電子保險絲的應用場景將更加廣泛，如下圖所示，其穩定的性能和靈活的配置使其成為汽車智慧配電架構的重要元件。

LCSP（負載控制和自我保護）打開和關閉負載，並實現晶片自我保護主要是替換原本繼電器的應用場景。可放置於配電箱或直接驅動負載。

LSP（負載供電保護）保護連接到輸出的電源基礎設施。一個典型的應用是，攝影機控制器透過數據同軸電纜連接，在此同軸電纜中，濾波器被放置在對應的數據和電源側。濾波器對電流尖峰非常敏感，需要特別的保護策略來避免損壞，例如電流鉗位保護機制。

PCI（電源連接與隔離）為了支援自動駕駛的可靠電源，需要冗餘配電大多數情況下，只有一個能源發電機用來給多個電池充電。因此，兩個電池會連接在一起，並連接到發電機。如果有一個電源失效，PCI模組需要...快速斷開失效電源，避免故障擴散確保備援電源的獨立性。PCI模組也會被使用在高需求系統，例如自動駕駛模組的配電，需要備援配電。

BP（電源保護）在整車上，新的電源技術將會被應用，比如鋰電池。鋰電池對於短路或者過充是非常敏感的。在配電系統中故障發生時，需要智能開關。快速斷開來保護電源。

DX（數據交換）提供相應的配電數據給微控制器，配電數據例如電壓、電流、溫度。雲端也可以根據這些數據來分析系統性能。

WP（線束保護）：線束過流保護避免線束過熱損壞。主要是替換原本機械保險絲的應用場景。

PSP（電源保護）：隔離負載錯誤傳播到配電。為了支援自動駕駛的可靠電源，智能開關是必須的，以避免非功能安全相關的負載配電錯誤，導致級聯錯誤，進而影響功能安全相關負載的配電。

ADP（駐車常配電）整車在停車和休眠狀態下，有些負載仍需要供電，比如無鑰匙進入系統、防盜系統。除此之外，供電晶片本身需要具備低靜態功耗，以避免電池耗盡，同時如果發生短路等故障，保護功能需要啟動。

VCI（電壓轉換和隔離）為了支援48V應用，發電機將應用於48V系統，並需要48V-12V DC/DC模組。如果DC/DC模組發生故障，智能開關需要快速斷開48V配電域與12V配電域的連接，以避免12V配電系統的損壞。

頗具挑戰的是，目前業界對相關失效分析考量的面向不夠充分，但好在VDA 450給出了完整的考量點：既關注兩路供電通道之間的獨立性，並且關注單一通道內部不同負載之間的潛在干擾而在這兩個維度上，都需要謹慎地考慮短路故障所造成的相關失效。有一種故障表現我們不得不考慮，當某個負載發生短路故障時，由於短路電流非常大，整個供電網路的電壓會瞬間被拉低，其他ZCU/ECU可能因為電壓過低而無法運作該欠壓以及該控制單元的所有其他相關故障不會導致同一電源的其他通道違反與安全相關功能（例如環境感知、邏輯、執行器）的安全要求。此時快速反應It is the top priority!

問題5：英飛凌的智慧配電解決方案

英飛凌的智慧功率開關涵蓋了未來汽車智慧配電架構的所有應用場景，如下圖所示。英飛凌的智慧功率開關不僅能夠取代機械保險絲和繼電器，還提供額外的高級功能，包括診斷和電流檢測、更高的可靠性以及重新啟動的可能性。在驅動不同類型負載時，它們提供出色的短路、過流和過熱保護，廣泛應用於汽車電子系統中，特別是在分散式電源架構和智慧配電網路中發揮了重要作用，提升了整車的可靠性和安全性。

英飛凌的智慧功率開關產品組合包括低邊和高邊開關，可作為單通道和多通道元件，適用於廣泛的12 V、24 V和48 V汽車應用。憑藉汽車品質認證和先進的功能，英飛凌的智慧功率開關是高效能、可靠性以及符合功能安全需求的汽車應用的理想選擇。

PROFET™智能高邊開關包括POFET™+2、POWER PROFET™+、PROFET™+ LoadGuard、PROFET™+ WireGuard，通過提供μs級快速開關過載、短路、過熱、接地損耗和電源損耗保護，取代機械保險絲和繼電器。此外，不同的 PROFET™ 智能高邊開關系列可以防止動態過壓，例如拋負載和感性負載關斷。PROFET™ Guard 系列是最先進的智能高邊開關系列，可滿足汽車電力分配系統的最新需求（例如，功能安全ISO 26262）。

EiceDRIVER™ APD柵極驅動器和MOSFET旨在取代繼電器和機械保險絲，並提供額外的保護和診斷功能。它們的使用提高了電力分配系統的可靠性。受益於不到100 µs 的快速故障隔離額外的診斷功能和改進的保護功能，例如整合了I-t線束保護。

SPOC™+2是高邊多通道智慧功率開關，整合了SPI串列介面，提供最先進的診斷和保護功能。它具有非常高的靈活性，並具備可配置的功能，例如開關速率控制和智慧重啟策略。其SPI介面允許透過菊花鏈配置連接多個設備，以減少GPIO的數量。

HITFET™+（高度整合溫度保護FET）系列是英飛凌智慧低邊開關的解決方案。其內建的智慧保護功能可防止過流、過壓、短路、過熱和靜電放電（ESD）。HITFET™+ 系列採用更小的封裝尺寸，具備平衡的短路耐受性、高速 PWM 應用中的能量消耗和診斷功能。

總結

端到端” 智駕元年，智駕高需求又強關聯efuse！

2024年，我國乘用車智能駕駛快速發展，滲透率迅速提升；2025年，大勢所趨，智能駕駛必將從量的積累邁向質的飛躍，這也是確保中國新能源汽車繼續處於領先地位的下一個關鍵所在！

智慧駕駛技術作為未來出行的重要趨勢和方向之一，其安全性問題始終是我們需要高度關注並重視的焦點，所謂，「聰明車」必須是「安全車」。

在此，英飛凌持續創新，推出了多個系列產品（如問題5所強調），以適應智慧駕駛汽車更高的功能安全需求，並提供完整的解決方案，更好地支持「聰明車」更加安全，為中國新能源車保駕護航！