來源：英飛凌汽車電子生態圈；作者：英飛凌

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。智能配電架構通過采用半導體器件(比如電子保險絲) 替代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，和豐富的診斷功能，是未來智能配電架構不可或缺的組件。

傳統的配電架構是什么？

傳統的配電架構主要依賴于機械式元器件，比如機械保險絲和繼電器，通過插入式或者 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。具體來看，通常包括一級配電和二級配電。一級配電靠近電源，通常放置于發動機艙中。二級配電可以是多個配電盒，通常放置于駕駛艙、儀表盤、或后備箱。

圖1 傳統的配電架構

圖2 配電盒

傳統的配電盒由機械保險絲和繼電器組成，簡單成本效益高，但存在一些明顯的局限性。比如，保險絲熔斷后無法重置，且其熔斷時間長，受環境溫度和壽命老化影響大，無法實現“什么時候斷，什么時候不斷”的精確控制，更無法提供實時監測和故障診斷功能。

未來智能配電架構的需求是什么？

隨著整車電子電氣架構的發展，智能駕駛功能要求越來越高，傳統的配電架構已經無法滿足現代整車智能化，電動化和互聯化的要求。這些不足促使汽車行業向更高效、更可靠、更智能的配電方案轉型，從而具有更快的反應速度，更高的保護精度和更全面的監測功能。傳統的機械保險絲和繼電器無法滿足未來的整車智駕場景，例如：

案例1 主動變道功能

通過車輛的雷達，攝像頭等傳感器檢測周圍環境。當系統檢測到條件安全時，可自動執行變道操作。如果傳感器、攝像頭等關鍵部件供電失效而無法正常工作，可能導致系統無法檢測到相鄰車道的空閑狀態或障礙物，從而引發非預期變道，增加與相鄰車道車輛碰撞的風險。

圖3 來自 UNECE R157

案例2 全速自適應巡航功能

能夠在車速 0-180km/h 的范圍內，甚至在城市擁堵路況下，通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。自適應巡航結合了傳感器技術，能夠感知前方車輛的狀態，并通過控制油門和剎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關斷，導致同一配電網絡中剎車模塊突然供電不足而無法正常工作，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。

圖4 來自 ISO21448

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松動或脫落，從而中斷供電回路，使得自動解鎖功能無法正常工作，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) 和完全線控系統 (如線控制動、線控轉向) 對整車配電網絡提出了新需求：

配電網絡的可用性 fail operational

故障配電快速隔離 faulty power isolation，以確保在多點故障情況下仍能保持系統的安全穩定的工作

德國汽車工業協會在ISO26262的大框架下，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余供電網絡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，導致系統供電網絡的不穩定性，大大降低了車輛的可靠性和安全性。

圖5 機械保險絲發生過載時的反應

智能配電架構是什么形式？

智能配電架構通過采用 半導體器件 (高邊開關芯片、efuse 芯片、MOSFET)，逐步取代機械保險絲和繼電器，實現了設備供電，狀態采集，智能檢測，故障快速隔離和用電管理的集成化。通過智能化和模塊化的設計，實現更高效、安全和靈活的配電網絡，提供了系統的可靠性，還降低了線束冗余設計。

圖6 智能配電架構

同時，智能配電架構從傳統的集中式配電逐步轉向分布式架構。集中式配電是將電能從電池分配到各個負載系統，而分布式架構則通過多個小配電中心實現區域控制。這種分布式架構能夠優化車輛的電氣性能，減少線束連接數量，提高系統的可靠性。

圖7 分布式配電趨勢

電子保險絲是智能配電系統的核心元件，它集成了保護和開關功能，能夠實時診斷，自動復位，快速響應，I2t/I-t 線束保護，并支持 OTA 升級。電子保險絲還支持低功耗負載供電和自恢復功能，提升了配電網絡的安全性和效率。如下圖所示，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，更好的服務于自動駕駛系統和完全線控系統的配電安全需求。

圖8 電子保險絲

電子保險絲如何適配未來智能配電架構的需求？

電子保險絲在未來智能配電架構中扮演了至關重要的角色，通過其高效可靠、精確控制、快速響應、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，推動了汽車智能駕駛高階化進程。

隨著汽車電動化和智能化程度的提供，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能配電架構的重要組件。

圖9 電子保險絲的應用場景

LCSP (負載控制和自我保護)：

打開和關閉負載，并實現芯片自我保護。主要是替換原來繼電器的應用場景。可放置在配電盒或者直驅負載。

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，攝像頭控制器是由數據同軸電纜連接，在此同軸電纜中有濾波器放置在對應的數據和電源側。濾波器對于電流尖峰很敏感，需要特別的保護策略來避免損壞，比如電流鉗位保護機制。

PCI (電源連接和隔離)：

為了支持自動駕駛的可靠電源，需要冗余配電。大多數的情況，只有一個能源發電機來給若干個電池充電。所以兩個電池會連接在一起，連接到發電機。如果有一個電源失效，PCI模塊需要快速斷開失效電源，避免故障傳播，確保冗余電源的獨立性。PCI模塊也會被使用在高要求系統，比如自動駕駛模塊配電，需要冗余配電。

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。鋰電池對于短路或者過充是非常敏感的。在配電系統中故障發生，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，配電數據比如電壓、電流、溫度。云端也可根據這些數據來分析系統性能。

WP (線束保護)：

線束過流保護，避免線束過溫損壞。主要是替換原來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。為了支持自動駕駛的可靠電源，智能開關是必須的，避免非功能安全相關的負載配電錯誤，產生級聯錯誤，從而影響功能安全相關負載配電。

ADP (駐車常配電)：

整車在駐車和休眠狀態下，有些負載仍需要配電，比如無鑰匙進入系統、防盜系統。除此之外，需要配電芯片自身靜態功耗低，以避免電池饋電，同時如果發生短路等故障，保護功能需要激活。

VCI (電壓轉換和隔離)：

為了支持 48V 應用，發電機會應用在 48V 上，需要 48V-12V DC/DC 模塊。如果 DC/DC 模塊發生故障，智能開關需要快速斷開 48V 配電域和 12V 配電域的連接，從而避免 12V 配電系統的損壞。

頗具挑戰的是，當前行業對相關失效分析考慮的維度不充分，但好在 VDA 450給出了完整的考慮點：既關注兩路供電通道之間的獨立性，又關注單個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，由于短路電流非常大，整個供電網絡的電壓會被瞬間拉低，其他 ZCU/ECU 可能因為電壓過低而無法工作。該欠壓以及該控制單元的所有其他相關故障不會導致在同一電源的其他通道違反安全相關功能 (例如環境感知、邏輯、執行器) 的安全要求。這個時候快速反應就是重中之重！

圖10 在供電系統中實現快速關斷的關鍵設計

英飛凌的智能配電解決方案

英飛凌的智能功率開關覆蓋了未來汽車智能配電架構的所有應用場景，如下圖所示。英飛凌的智能功率開關不僅能夠替代機械保險絲和繼電器，而且提供額外的高級功能，包括診斷和電流檢測、更高的可靠性和重啟可能性。當驅動不同類型的負載時，它們提供出色的短路、過流和過熱保護，廣泛應用于汽車電子系統中，特別是分布式電源架構和智能配電網絡中發揮了重要的作用，提升了整車的可靠性和安全性。

圖11 英飛凌智能功率開關應用場景

英飛凌的智能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器件，適用于廣泛的 12V、24V和 48V 汽車應用。憑借汽車質量認證和先進的功能， 英飛凌的智能功率開關是高性能、可靠性和支持功能安全要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，并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。受益于不到100μs 的快速故障隔離、額外的診斷功能和改進的保護功能，例如集成了 I-t 線束保護。

SPOC+2是高邊多通道智能功率開關，集成了 SPI 串行接口，提供最先進的診斷和保護功能。它具有很高的靈活性，具有可配置的功能，例如開關速率控制和智能重啟策略。其SPI 接口允許通過菊花鏈配置連接多個設備，以減少 GPIO 的數量。

HITFET+(高度集成溫度保護 FET) 系列是英飛凌智能低邊開關的解決方案。其內置的智能保護功能可防止過流、過壓、短路、過熱和靜電放電 (ESD）。HITFET+ 系列采用更小的封裝尺寸，具有均衡的短路魯棒性、高速 PWM 應用中的能量耗散和診斷。

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，滲透率快速提升；2025 年，大勢所趨，智能駕駛必將從量的積累到質的大飛躍，這也是確保中國新能源汽車繼續處于領先地位的下一個關鍵所在！智能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的重視的焦點，所謂“聰明車”必須是“安全車”。于此，英飛凌持續創新，推出了多個系列產品 (如前文所強調），適應智駕汽車更高功能安全，完整解決方案去更好支持“聰明車”還更安全，為中國新能源車保駕護航！