通过灵活且智能的电力控制提升汽车的可持续性

汽车行业正在向可持续性转变，这一转变由软件定义汽车（SDV）这一创新概念推动。这些汽车利用软件集成和虚拟化技术来增强功能、连接性和自主性。这种创新不仅提高了汽车的灵活性和用户体验，还对可持续性努力做出了重大贡献。

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传统的机械保险丝正在被电子保险丝所取代，后者提供了精确且智能的电路管理功能。它们能够实时监控车辆的电气系统，快速检测并响应电气异常，从而提高安全性和可靠性。此外，通过串行外设接口（SPI）控制的电子保险丝能够无缝集成到车辆的软件中，实现动态调整和远程诊断。这种智能电力控制能够节省能源并减少浪费，确保车辆高效运行。

尽管基于硬件的I²t（电流平方乘以时间）保护曲线对导线保护与负载曲线的优化能力有限，但基于SPI的产品提供了一种革命性的方法。这种完全可编程的解决方案拥有尖端功能，仅需设置两个参数——额定电流和时间，即可轻松配置。这种开创性的设计提供了无与伦比的适应性和性能，不仅使解决方案更加高效，还特别能够满足现代车辆多样化且动态变化的电气保护需求。

汽车中的电源管理

该领域的一个显著进步是开发了STi2Fuse智能电子保险丝，这种保险丝通过嵌入式SPI完全可编程，从而实现数字控制和诊断。

这种创新功能为传统汽车和下一代创新SDV中的电源分配与管理带来了显著优势：

灵活性：与需要物理修改才能改变保险丝曲线级别的竞争产品不同，STi2Fuse产品可以通过软件轻松调整，无需修改板上的组件。

易用性：用户可以通过图形用户界面（GUI）简单地更新保险丝设置，简化了调整过程，减少了所需的时间和精力。

精确性：专有的I²t功能确保保险丝曲线级别可以高精度微调，提供最佳保护和线束优化。

智能STi2Fuse开关是汽车区域架构中的关键组件，每个区域通过电源轨开关（PRS）安全地接收适当的电源，而不是依赖于集中式的基于域的系统，如图1所示。

图1. 汽车架构（基于域和基于区域）。图片来源于Bodo的Power Systems [PDF]

每个区域都有自己的控制单元，简化了布线，减轻了重量，并提高了整个系统的效率，如图2所示的电动汽车（EV）电源分配的框图。

图2. 电动汽车电源分配的框图。图片来源于Bodo的Power Systems [PDF]

为了在高精度、可靠、安全和弹性的条件下承受恶劣的电流水平，PRS可以使用智能STi2Fuse控制器驱动高电流功率MOSFET以背靠背（B2B）配置实现。这种配置可以双向管理线路，如图3所示。

图3. B2B配置中的PRS框图。图片来源于Bodo的Power Systems [PDF]

四个单通道STi2Fuse控制器确保安全的电源分配，防止过载和可能对电气部件造成的损坏，从而提高了车辆电气系统的可靠性。

本文基于对一个完整解决方案的测量，展示了对控制器的全面性能分析，该解决方案集成了硬件和软件。用于驱动和功率部分的评估板如以下图所示（图4和图5）。

图4. 驱动部分的评估板。 图片来源于Bodo的Power Systems [PDF]

图5. 功率部分的评估板。 图片来源于Bodo的Power Systems [PDF]

在以下条件下对单条电源轨进行了热分析：

VBAT = 12 V
IRAIL = 100 A
其中，VBAT为电池电压，IRAIL为流经单条电源轨的电流。

图6展示了电源轨组件的热图，特别是功率开关、分流电阻和连接器。

其中：

2表示分流电阻RSHUNT2
3表示功率开关3
4表示功率开关4

图6. 单条电源轨功率级的热分析。 图片来源于Bodo的Power Systems [PDF]

每个功率开关由四个并联的功率MOSFET组成，用于管理电流。因此，两个功率开关的温度均达到约85°C。这一结果突显了评估板在确保电流通过两个功率开关均匀分配方面的有效性。

智能STi2Fuse开关的I²t功能已通过以下测试电路进行了测试，以确定其对电路组件和布线的保护水平（图7）。

图7. 保护功能的测试电路。 图片来源于Bodo的Power Systems [PDF]

如果L1和L2电源轨线路同时发生短路，智能保险丝设备将介入以保护负载。这些设备的响应时间会随着过电流水平的增加而缩短。这种响应时间由智能保险丝内配置的I²t曲线决定。实验数据如表1所示。

表1. 智能保险丝响应时间的实验数据。

图8展示了在L2电源轨线路中负载过电流为30 A时，智能保险丝的行为电压和电流波形。

图8. 电源轨短路条件下的测量波形。 图片来源于Bodo的Power Systems [PDF]

在检测到短路条件后，智能保险丝4会触发功率开关断开，导致其栅极电压（VG4）降至低电平。随后，智能保险丝3的漏源电压（VDS3）增加，使其栅极电压（VG3）也降至低电平。这一动作切断了L2电源轨，导致L2电源轨中的电流降至零。L1电源轨线路也观察到类似的行为。因此，负载电流降至零，从而有效地保护了负载。整个事件序列仅在几毫秒内完成。

其他故障事件可能直接涉及电路负载。在这种情况下，如果两条电源轨检测到的电流超过软件定义的短路阈值，两条线路将被切断，通过两个功率开关的背靠背体二极管阻断电流流动。

如果仅有一条电源轨发生短路，为了满足连接负载的安全要求，同时避免仍在运行的DC-DC转换器继续为短路供电，电源轨开关（PRS）会检测到涉及电源轨的过电流，将其断开，并为关键安全负载提供永久偏置条件。

结论

全面的性能分析已证实STi2Fuse开关在实际场景中的有效性。这些智能电子保险丝以其无与伦比的灵活性、精确性和快速响应能力，彻底革新了汽车应用中的电源管理。STi2Fuse开关对于提高现代车辆的安全性、可靠性和效率至关重要。它们在汽车区域架构中的集成凸显了其在推进车辆电气系统中的关键重要性。