原创 MOSFET和车辆12V配电管理

2018-09-12

虎子给了我一些交流的总结材料，写的挺好的。我摘录出来，和大家一起分享下。总的背景，是在整个智能化配电单元上，继电器被MOSFET所取代。12V的配电架构，特别是电动汽车，由于整个系统的变化，都开始转变。传统的配电架构都因继电器与保险丝而受到局限:

如下图所示：

很大一部分配电用的熔丝+继电器的设计，被MOSFET管理电路所取代

这个发展的路径，是越来越快了。随着MOSFET的发展很快，现在只要单一芯片，就能够取代诸如继电器、保险丝、继电器驱动器等众多组件，从芯片的角度来看，MOSFET开关极为耐用，不怕灰尘、冲击和震动，因此配置与组装组件时具有更多弹性。 主要的优点是：

1）过载时的行为差异，保险丝损坏而需要更换时，应用将无法运作。 基于MOSFET的开关可以通过软件，能够重置并重新启动；

2）在承受短路的层面，由于是个闭环的系统，能够承受的短路周期比较多

3）继电器会产生些许噪音，MOSFET在状态切换时噪音几近于无

备注：这里最为核心的还是有关于线束短路的保护，对于电动汽车而言，除了电池以外就是电气短路问题最多，通过线束的模型，可以认真而细致的设定整个短路的状态，根据电流早期判别电气短路（特别是间歇性的）

线束的短路计算分析

如上图所示，传统的熔丝设计，其实也做到了一定的程度，再往下就比较难了。通过这个配电盒的设计，主要对于线束设计可以解放不少的工作量

备注：从控制角度来看，差异主要在控制部分，之前很大一部分是按照HSD的封装形式来做

以下是虎子写的了，我做一些摘录和引用，并且把HSD的部分摘出来

第一部分 从HSD开关设计考虑来说

◆负载的正常电流多大？

◆最大电流多大？

◆负载的工作环境温度是多少？极限温度试多少？

◆负载是否是容性？容性的话，冲击电流是多少？

◆负载是否为感性？感性的话，关断时的能量？

◆负载的控制方式？ON/OFF方式（没有续流，注意过压保护，需要对GD,GS保护背靠背的稳压管），PWM方式（有续流，没有对GD,GS的过压保护）注：ON/OFF方式和PWM方式参考SMTC 2800 017电路端口设计目的

◆系统如果是地线开路的话，对负载有何影响？

◆散热方式，根据参数计算是否需要加散热片？（PCB上的通孔方式铜箔的面积大小）

◆负载是否需要诊断：如需要，有哪些诊断？过流，过压，过温还是短路。

◆负载是否有以下应用：电池反接，负载突降，过压，过流等

◆负载突降（Load dump）：如果负载的突降超过VCC的最大额定值时，Did瞬态抑制二极管必须要加的。

第二部分 HSD和LSD的区别：

◆导通电阻：NMOS的导通电阻比PMOS在同样条件下要小（电子导通速度比空穴快，因而影响到导通电阻），为了追求低的导通电阻，在某些HSD的驱动应用，用充电泵加上NMOS来完成PMOS作为HSD的应用，代价是价格高，驱动比较复杂。

◆采样电路：对于HSD的保护，需要对电流的采样，需要差分的配置才能实现电流的采样；而对于LSD，采用单端配置就可以。由于差分电路成本高于采用单端的成本，所以从这个意义上说，LSD比HSD具备成本优势。

◆线制的要求：汽车中的大部分负载多为负极搭铁，采用HSD给负载供电的好处是负载的一端直接接在底盘地上，另外一端则只需要一根线给负载供电，这就节省了系统的成本。

◆失效对系统的影响：这是根据系统的要求，选择哪种负载失效。在飞机失效类型中，如果负载失效，最安全的方式是让负载继续运行下去；而对于汽车的负载应用，则正好相反。

HSD驱动配置优缺点：

◇系统中是1 Wires

◇短路到地不会损坏负载

◇load corrosion unlikely （连接到地）

◇简单的地连接更健壮（单线）

◇内部电路（设计相对复杂，成本高）；外部接线（单线，简单线成本降低）

例如：在ECM控制中，控制油泵的开关就是HSD，这是因为在大多数情况下，当驱动模块失效时，是关掉油泵的，这种设计对于当发生车祸或系统失效时是非常有利的。

如图电路所示：

控制油泵对电源端通过HSD开关控制，当汽车遇到危险状况时，通过控制模块直接把电源切断，避免油箱漏油某一点与负载的另外一端短路造成危害（低边控制的话，等效油泵控制的回路只是对地开关，油泵负载另外一端接常电）；所以说LSD控制更容易遭受短路危害，LSD短路将导致负载永久性的处于导通，HSD短路只是对开关造成应力，相比电池电压，接地更容易遭受短路危害，所以HSD开关比LSD开关更安全。

HSD:HSD_OUT对地短路只是对开关（MOS管）造成应力，可以理解为对电源的一个保险

LSD：LSD_OUT对地短路的话将会对负载永久性的导通状态，所以对于油泵控制（汽车遇到危险状况时）非常危险的。

小结：开个头，从汽车电子的角度来看，也是配合着车辆的智能化开始发展和创新的，就是国内做个模块或者部件很难赚到钱。