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淺析MOSFET和電動汽車的12V配電架構

汽車電子設計 ? 來源:未知 ? 作者:胡薇 ? 2018-09-13 09:50 ? 次閱讀

虎子給了我一些交流的總結材料,寫的挺好的。我摘錄出來,和大家一起分享下。總的背景,是在整個智能化配電單元上,繼電器被MOSFET所取代。12V的配電架構,特別是電動汽車,由于整個系統的變化,都開始轉變。傳統的配電架構都因繼電器與保險絲而受到局限:

如下圖所示:

很大一部分配電用的熔絲+繼電器的設計,被MOSFET管理電路所取代

這個發展的路徑,是越來越快了。隨著MOSFET的發展很快,現在只要單一芯片,就能夠取代諸如繼電器、保險絲、繼電器驅動器等眾多組件,從芯片的角度來看,MOSFET開關極為耐用,不怕灰塵、沖擊和震動,因此配置與組裝組件時具有更多彈性。 主要的優點是:

1)過載時的行為差異,保險絲損壞而需要更換時,應用將無法運作。 基于MOSFET的開關可以通過軟件,能夠重置并重新啟動;

2)在承受短路的層面,由于是個閉環的系統,能夠承受的短路周期比較多

3)繼電器會產生些許噪音,MOSFET在狀態切換時噪音幾近于無

備注:這里最為核心的還是有關于線束短路的保護,對于電動汽車而言,除了電池以外就是電氣短路問題最多,通過線束的模型,可以認真而細致的設定整個短路的狀態,根據電流早期判別電氣短路(特別是間歇性的)

線束的短路計算分析

如上圖所示,傳統的熔絲設計,其實也做到了一定的程度,再往下就比較難了。通過這個配電盒的設計,主要對于線束設計可以解放不少的工作量

備注:從控制角度來看,差異主要在控制部分,之前很大一部分是按照HSD的封裝形式來做

以下是虎子寫的了,我做一些摘錄和引用,并且把HSD的部分摘出來

第一部分 從HSD開關設計考慮來說

◆負載的正常電流多大?

◆最大電流多大?

◆負載的工作環境溫度是多少?極限溫度試多少?

◆負載是否是容性?容性的話,沖擊電流是多少?

◆負載是否為感性?感性的話,關斷時的能量?

◆負載的控制方式?ON/OFF方式(沒有續流,注意過壓保護,需要對GD,GS保護背靠背的穩壓管),PWM方式(有續流,沒有對GD,GS的過壓保護)注:ON/OFF方式和PWM方式參考SMTC 2800 017電路端口設計目的

◆系統如果是地線開路的話,對負載有何影響?

◆散熱方式,根據參數計算是否需要加散熱片?(PCB上的通孔方式銅箔的面積大小)

◆負載是否需要診斷:如需要,有哪些診斷?過流,過壓,過溫還是短路。

◆負載是否有以下應用:電池反接,負載突降,過壓,過流等

◆負載突降(Load dump):如果負載的突降超過VCC的最大額定值時,Did瞬態抑制二極管必須要加的。

第二部分 HSD和LSD的區別:

◆導通電阻:NMOS的導通電阻比PMOS在同樣條件下要小(電子導通速度比空穴快,因而影響到導通電阻),為了追求低的導通電阻,在某些HSD的驅動應用,用充電泵加上NMOS來完成PMOS作為HSD的應用,代價是價格高,驅動比較復雜。

◆采樣電路:對于HSD的保護,需要對電流的采樣,需要差分的配置才能實現電流的采樣;而對于LSD,采用單端配置就可以。由于差分電路成本高于采用單端的成本,所以從這個意義上說,LSD比HSD具備成本優勢。

◆線制的要求:汽車中的大部分負載多為負極搭鐵,采用HSD給負載供電的好處是負載的一端直接接在底盤地上,另外一端則只需要一根線給負載供電,這就節省了系統的成本。

◆失效對系統的影響:這是根據系統的要求,選擇哪種負載失效。在飛機失效類型中,如果負載失效,最安全的方式是讓負載繼續運行下去;而對于汽車的負載應用,則正好相反。

HSD驅動配置優缺點:

◇系統中是1 Wires

◇短路到地不會損壞負載

◇load corrosion unlikely (連接到地)

◇簡單的地連接更健壯(單線)

◇內部電路(設計相對復雜,成本高);外部接線(單線,簡單線成本降低)

例如:在ECM控制中,控制油泵的開關就是HSD,這是因為在大多數情況下,當驅動模塊失效時,是關掉油泵的,這種設計對于當發生車禍或系統失效時是非常有利的。

如圖電路所示:

控制油泵對電源端通過HSD開關控制,當汽車遇到危險狀況時,通過控制模塊直接把電源切斷,避免油箱漏油某一點與負載的另外一端短路造成危害(低邊控制的話,等效油泵控制的回路只是對地開關,油泵負載另外一端接常電);所以說LSD控制更容易遭受短路危害,LSD短路將導致負載永久性的處于導通,HSD短路只是對開關造成應力,相比電池電壓,接地更容易遭受短路危害,所以HSD開關比LSD開關更安全。

HSD:HSD_OUT對地短路只是對開關(MOS管)造成應力,可以理解為對電源的一個保險

LSD:LSD_OUT對地短路的話將會對負載永久性的導通狀態,所以對于油泵控制(汽車遇到危險狀況時)非常危險的。

小結:開個頭,從汽車電子的角度來看,也是配合著車輛的智能化開始發展和創新的,就是國內做個模塊或者部件很難賺到錢。

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原文標題:MOSFET和車輛12V配電管理

文章出處:【微信號:QCDZSJ,微信公眾號:汽車電子設計】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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