48V起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)方案指南（2）

汽車功能電子化的關(guān)鍵步驟之一是將內(nèi)燃機(jī) (ICE) 與電動(dòng)機(jī)結(jié)合起來(lái)，研發(fā)出輕度混合動(dòng)力汽車 (MHEV)。作為邁向汽車功能全面電子化的重要里程碑，MHEV 成為了許多還未準(zhǔn)備好過(guò)渡到全電動(dòng)汽車的駕駛員的熱門選擇。由于 12V 系統(tǒng)已接近極限，汽車行業(yè)現(xiàn)在正遷移至 48V 系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)變旨在增加可用功率，減小線束和連接器尺寸，并支持額外的電氣設(shè)備和更高的功耗。本文為48V起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)方案指南第二部分，將介紹方案概述。

方案概述

起動(dòng)發(fā)電機(jī)主驅(qū)驅(qū)動(dòng)、電源和接口器件的框圖

圖1.方案概述

起動(dòng)發(fā)電機(jī)（BSG、ISG）主驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置與其他電動(dòng)汽車（BEV、PHEV）的逆變器結(jié)構(gòu)非常相似，但前者在 48V 電壓水平下運(yùn)行。80V 和 100V MOSFET 用于從 48V 電池獲取電流，以將交流電流施加到電機(jī)繞組。柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，從而以所需頻率切換 MOSFET。半橋 APM 配置為驅(qū)動(dòng)三相和六相電機(jī)，是功率分立器件的替代方案。

電流檢測(cè)放大器 (CSA) 用于監(jiān)測(cè)施加到電機(jī)相繞組的電流，它可以與各種信號(hào)處理和傳感器數(shù)據(jù)調(diào)理器件配合使用。EEPROM 用于存儲(chǔ)參數(shù)。CAN 和 LIN 收發(fā)器確保汽車網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信快速且可靠。為了支持 MCU 操作，具有快速瞬變箝位能力和低電容的 ESD 保護(hù)器件可保護(hù)關(guān)鍵信號(hào)的完整性。

電源逆變器 – 三相或六相電機(jī)設(shè)計(jì)

BSG/ISG 設(shè)備是能夠接受 48V 電壓的永磁或感應(yīng)電機(jī)。傳統(tǒng)上，相繞組由專用三相逆變器網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)，6 個(gè)電源開關(guān)排列為 3 個(gè)半橋，使用 80V 或 100V 功率溝槽 MOSFET。

六相逆變器是一種更先進(jìn)的方法，可帶來(lái)更好的性能，包括更高的效率、更寬的扭矩范圍、更好的起動(dòng)扭矩、極小的扭矩波動(dòng)和更輕微的噪音。在六相方法中，電源開關(guān)的數(shù)量增加一倍。當(dāng)某個(gè)電機(jī)相出現(xiàn)故障并與系統(tǒng)脫離時(shí)，六相方法還能保證系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。

脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 技術(shù)和高級(jí)電機(jī)控制開關(guān)模式將電壓施加到感應(yīng)電機(jī)的三個(gè)繞組上，通過(guò)電機(jī)的各相產(chǎn)生交流電流，從而得到驅(qū)動(dòng)車輛所需的扭矩。通過(guò)改變控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的 PWM 換向模式，可以調(diào)整交流電流的幅度和頻率。

安森美（onsemi）提供適合 BSG/ISG 設(shè)計(jì)的先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)。高功率分立 MOSFET 和集成功率模塊方案針對(duì)電機(jī)控制和其他 48V 應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

T10 分立 MOSFET采用屏蔽柵極溝槽技術(shù)，具有超低 RDS(ON)、低噪聲、低 EMI、最小化過(guò)沖和業(yè)界領(lǐng)先的體二極管（低 Qrr、Trr）等特性。T10 旨在增強(qiáng)性能、提高效率、減少振鈴、最大限度地降低過(guò)沖和噪聲。

APM17 系列（APM = 汽車功率模塊）是一系列集成雙半橋（兩相）模塊，可輕松進(jìn)行外部連接以形成支持兩倍相電流的單半橋。三個(gè)模塊可配置為驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)或六相電機(jī)的電源逆變器。圖 2 顯示了采用 APM17 模塊的三相和六相配置。

圖 2：3 個(gè) APM17 模塊組合成三相或六相電機(jī)驅(qū)動(dòng)配置

T10 MOSFET 技術(shù)：40V-80V 低壓和中壓 MOSFET

T10 是安森美繼 T6/T8 成功之后推出的最新技術(shù)節(jié)點(diǎn)。新的屏蔽柵極溝槽技術(shù)提高了效率，降低了輸出電容、RDS(ON) 和柵極電荷 QG，改善了品質(zhì)因數(shù)。T10-M 采用特定應(yīng)用架構(gòu)，具有極低的 RDS(ON) 和軟恢復(fù)體二極管，專門針對(duì)電機(jī)控制和負(fù)載開關(guān)進(jìn)行了優(yōu)化。另一方面，T10-S 專為開關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，更加注重降低輸出電容。雖然會(huì)犧牲少量的 RDS(ON)，但整體效率更好，特別是在較高頻率時(shí)。

RDS(ON) 和柵極電荷 QG 整體降低，Rsp（RDS(ON) 相對(duì)于面積）更低

改進(jìn)的 FOM (Rds x Qoss/QG/Qgd) 提高了性能和整體效率。

業(yè)界領(lǐng)先的軟恢復(fù)體二極管（Qrr、Trr）降低了振鈴、過(guò)沖和噪聲。

借助 T10，電源逆變器可以設(shè)計(jì)為高效的分立方案，允許將柵極驅(qū)動(dòng)器放置在 MOSFET 附近，使電流路徑更短。除了逆變器外，T10 還可以服務(wù)于各種需要 40V 和 80V MOSFET 的新型 48V 應(yīng)用和傳統(tǒng) 12V 應(yīng)用。此外，T10 100V MOSFET 目前正在開發(fā)中。

表 1 比較了 80V T8/T10 MOSFET 兩代產(chǎn)品。第一個(gè)比較的是相同芯片尺寸的 MOSFET。T10 成功將 RDS(ON) 從 1.7 mΩ 降低至 1.24 mΩ，同時(shí)保持柵極電荷不變。第二個(gè)比較涉及相同的最大 RDS(ON)，但 T10 的芯片尺寸更小。另一方面，它還顯著降低了總柵極電荷。

表 1：安森美 T8 與 T10 80V MOSFET 技術(shù)及主要器件參數(shù)對(duì)比

晶圓減薄

對(duì)于低壓 FET，襯底電阻可能占 RDS(ON) 的很大一部分。因此，隨著技術(shù)的進(jìn)步，使用較低電阻率的襯底和減薄晶圓變得至關(guān)重要。在 T10 技術(shù)中，安森美成功減小了晶圓厚度，從而將 40V MOSFET 中襯底對(duì) RDS(ON) 的貢獻(xiàn)從約 50% 減少到 22%。更薄的襯底也提高了器件的熱性能。

T10 MOSFET 技術(shù)：競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

下表顯示了與具有類似參數(shù)的競(jìng)品器件相比，安森美 40V T10 MOSFET 所具有的優(yōu)勢(shì)。

表 2：安森美 T10 40V 最佳性能產(chǎn)品

SO – 8FL (DFNW5)

表 3：安森美與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手對(duì)比：≈1 m? RDS(ON) 40V 器件規(guī)格

μ8FL (WDFNW8)

頂部散熱封裝 (TCPAK57)

MOSFET 憑借出色的功率能力和緊湊的尺寸而受到青睞。然而，傳統(tǒng) SMD 的散熱效果并不理想，熱量主要通過(guò) PCB 散發(fā)。

為解決這個(gè)問題，并進(jìn)一步縮小應(yīng)用尺寸，業(yè)界開發(fā)了一種新的頂部散熱 MOSFET 封裝，即讓 MOSFET 的引線框架（漏極）在封裝的頂部暴露出來(lái)。這種方法避免了通過(guò) PCB 散熱。TCPAK57 是緊湊型 5.1 x 7.5 mm 封裝。

NVMJST0D9N04C 40V 版本具有最低的 RDS(ON) - 1.07 mΩ。

NVMJST2D6N08H 80V 版本具有最低的 RDS(ON) - 2.8 mΩ。

TCPAK57，MOSFET 封裝頂部露出漏極。

適用于 48V 電源逆變器的汽車功率模塊 APM17

APM17 是一系列集成 80V MOSFET 模塊，提供多種封裝，專為 48V MHEV 和低壓主驅(qū)應(yīng)用的大電流、高功率密度需求而設(shè)計(jì)。三個(gè)模塊可以配置為驅(qū)動(dòng)三相或六相電機(jī)。每個(gè) APM17 模塊由 2 個(gè)高邊和 2 個(gè)低邊 80V MOSFET 組成，通過(guò)組合 2 個(gè)相輸出電源端子，這些 MOSFET 可以連接為雙半橋或單半橋。

APM 憑借低雜散電感和更好的電磁干擾 (EMI) 性能，將高度集成且緊湊的設(shè)計(jì)提升到新的水平。功率 MOSFET 芯片彼此靠近且包含在同一個(gè)封裝內(nèi)，這樣可以減少封裝寄生效應(yīng)，為最大 VDS 電壓提供更多的裕量，并降低開關(guān)損耗。高效的電流處理使得 PCB 中無(wú)需高電流路徑。

該系列有多種絕緣陶瓷 DBC 襯底可供選擇，以提供標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)熱性能。多種 RDS(ON) 額定值（每個(gè) MOSFET 0.58 m? - 0.76 m?）可滿足最終用戶的電流需求，多樣的引腳排列選項(xiàng)可支持不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

AMP17 系列示例：NXV08H250DT1,NXV08H400XT1

APM17 系列特性和參數(shù)：

低雜散電感：APM17 可使 25kW 48V 逆變器系統(tǒng)的總雜散電感小于 15nH。

低結(jié)至外殼熱阻 RTHJC：介于 0.19°C/W和 0.54°C/W之間。

緊湊的設(shè)計(jì)降低了模塊總電阻。

采用雙 R&C 緩沖器（1Ω、15nF），EMI 性能更佳。

每個(gè)模塊都配有一個(gè)溫度檢測(cè) NTC，25°C 時(shí)的阻值為 10 kΩ。

高壓隔離測(cè)試電壓為 3 kVAC，持續(xù) 1 秒。

封裝種類：標(biāo)準(zhǔn)引腳、壓合式引腳、PCB 側(cè)裝引腳。

封裝尺寸：45 x 30 x 5 mm

APM17 雙半橋模塊

適用于 MHEV 和 48V 應(yīng)用的汽車功率模塊 (APM)

安森美還有其他 APM 系列，提供多種封裝，專為 48V 配件、48V 電池開關(guān)和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)。APM12、APM19 和 APM21 具備不同的配置和特性，所有功能都集成到單個(gè)模塊中。

單個(gè)模塊中集成多個(gè)電源開關(guān)，支持更高的功率密度，使系統(tǒng)的熱效率和電效率更高、重量更輕、尺寸更小。當(dāng)集成完整應(yīng)用時(shí)，APM 可提供更多價(jià)值。系統(tǒng)層面上可顯著節(jié)省成本：機(jī)械設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)是節(jié)省成本的關(guān)鍵因素。

表 4：APM 在 MHEV 48V 架構(gòu)中的應(yīng)用

APM12 是一款經(jīng)過(guò)驗(yàn)證、可靠、尺寸較小的 80V 單相逆變器模塊，NXV08A170DB2 具有電流檢測(cè)、溫度檢測(cè)功能和緩沖電路。n 個(gè) APM12 模塊可以堆疊起來(lái)，變成 n 相電機(jī)逆變器。

NXV10V160ST1 APM21 集成了六個(gè) 100V MOSFET（3 個(gè)半橋），RDS(ON) 為 1.8 m?，RTHJC 為 0.36 °C/W。同時(shí)還集成了 R＆C 緩沖器和用于溫度檢測(cè)的 NTC。它可以處理典型的 48V 三相大功率輔助應(yīng)用，如電動(dòng)渦輪增壓器、暖通空調(diào)電動(dòng)壓縮機(jī)、各種泵和風(fēng)扇。

APM19 模塊：集成了三相 MOSFET 橋（六個(gè) 80V MOSFET）、用于電流檢測(cè)的精密分流電阻、用于溫度檢測(cè)的 NTC 以及 R＆C 緩沖電路。

FTC03V85A1 針對(duì)構(gòu)建 1.5kW 48V-12V 交錯(cuò)式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化。兩個(gè)模塊可以構(gòu)成一個(gè)六相 3kW 轉(zhuǎn)換器。最大 RDS(ON) 為 2.6 - 3.5m?，RTHJC 為 1.0 °C/W。

NXV08V110DB1 是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的三相逆變器橋，適用于 48V 配件和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向使用的變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

80V 和 100V MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器：起動(dòng)發(fā)電機(jī)應(yīng)用

FAD3151MXA 和 FAD3171MXA 是 110V、2.5A 多功能車用單通道浮柵驅(qū)動(dòng)器，適合驅(qū)動(dòng)高達(dá) 110 V 的高速功率 MOSFET。這些驅(qū)動(dòng)器專為 48V BSG/ISG 和其他 48V 應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有去飽和保護(hù)、軟關(guān)斷、故障報(bào)告功能、欠壓鎖定保護(hù)等特性。集成電荷泵支持 100% 占空比操作（僅限 FAD3171MXA）。可耐受嚴(yán)重負(fù)瞬變和高達(dá) ?80 V 的接地偏移。

主動(dòng)系統(tǒng)故障保護(hù)

通過(guò)控制高邊或低邊的柵極驅(qū)動(dòng)器故障 FLT 引腳，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)系統(tǒng)短路保護(hù)。這樣在檢測(cè)到故障時(shí)，可以在很短的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)關(guān)閉受影響的通道。主動(dòng)系統(tǒng)故障保護(hù)可以防止 48 V 供電網(wǎng)絡(luò)中的過(guò)壓情況和干擾，同時(shí)使電機(jī)處于安全狀態(tài)，提高 48V BSG/ISG 等電機(jī)控制應(yīng)用的安全性。

為使電機(jī)產(chǎn)生的電流可以在電機(jī)繞組中放電，可以在微控制器內(nèi)對(duì)相反通道的主動(dòng)導(dǎo)通進(jìn)行編程（圖 3 上的 FLT-高、FLT-低）。應(yīng)用手冊(cè) AND90251/D 介紹了如何對(duì)高邊和低邊 MOSFET 上的微控制器故障控制邏輯進(jìn)行編程。

圖 3 顯示了具有主動(dòng)系統(tǒng)保護(hù)功能的電機(jī)控制應(yīng)用示例，并突出顯示了電流流向。

圖 3：三相電機(jī)控制應(yīng)用中的柵極驅(qū)動(dòng)器，在主動(dòng)系統(tǒng)保護(hù)下運(yùn)行

NCV77320 電感位置傳感器接口

NCV77320 是一款電感位置傳感器接口器件，與 PCB 結(jié)合可形成一個(gè)用于精確測(cè)量角度或線性位置的系統(tǒng)。這款傳感器適合電動(dòng)汽車和燃油車中安全攸關(guān)的應(yīng)用。它在冗余應(yīng)用中最高能達(dá)到 ASIL D 安全性等級(jí)。NCV77320 主要設(shè)計(jì)為用于油門踏板應(yīng)用，但如果轉(zhuǎn)速（最大 10 800 RPM）和輸出協(xié)議匹配，它也可用于任何需要精確位置檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)和線性應(yīng)用。

選擇安森美先進(jìn)的電感技術(shù)可提高 EMC 穩(wěn)健性，尤其是在直流領(lǐng)域。與基于磁鐵的方案不同，電感技術(shù)因其結(jié)構(gòu)而不受雜散磁場(chǎng)的影響。與使用磁鐵的方案相比，這是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殡S著汽車功能電子化，強(qiáng)直流電流會(huì)越來(lái)越多。

NCV77320 系統(tǒng)對(duì)溫度變化不敏感。

易于實(shí)現(xiàn)冗余：兩個(gè)傳感器可以堆疊，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)齊。

提供 3 個(gè)輸出通信接口：模擬輸出、SENT 接口（快速和慢速通道）、SPI 通道。

NCV77320 的校準(zhǔn)過(guò)程可利用評(píng)估套件硬件和 GUI 軟件。

電子保險(xiǎn)絲 (eFuse) NIV3071

NIV3071 eFuse 可以保護(hù)最多 4 個(gè)獨(dú)立的 48V 或 12V 下游負(fù)載，使它們免受輸出短路、過(guò)載和過(guò)電流事件的影響。一個(gè)電源可以安全地驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)受保護(hù)的獨(dú)立負(fù)載，每個(gè)負(fù)載以 2.5A 連續(xù)電流運(yùn)行。eFuse 可以配置為單通道保護(hù)，驅(qū)動(dòng)高達(dá) 10A 的單個(gè)連續(xù)負(fù)載電流。

eFuse 可以通過(guò)構(gòu)建冗余網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高 48V 電氣架構(gòu)的穩(wěn)健性和可靠性。5x6mm 小型封裝。

非常適合實(shí)現(xiàn)汽車區(qū)域控制器（區(qū)域控制架構(gòu)），確保整個(gè)車輛的局部 ECU 受到保護(hù)且穩(wěn)健可靠。

WQFN16，5x6 mm，外殼 510CM

NCV2023x 系列低功耗運(yùn)算放大器

NCV2023x 是低功耗運(yùn)算放大器系列，具有 2.7 V 至 36V 的寬電源范圍，電源電流為 0.595 mA，25°C 時(shí)輸入失調(diào)電壓低至 ±0.95 mV（最大值）。它在實(shí)現(xiàn)低失調(diào)電壓的同時(shí)并未犧牲性能，也避免了精密運(yùn)算放大器的高成本。軌到軌輸出支持更寬的動(dòng)態(tài)工作范圍。輸出電壓擺幅更接近供電軌，輸出性能不會(huì)出現(xiàn)任何下降。

提供單通道配置 - NCV20231、雙通道配置 - NCV20232 和四通道配置 - NCV20234。

失調(diào)電壓：±0.95 mV（最大值，25°C）

單位增益帶寬：3MHz

失調(diào)漂移：±2μV/°C（最大值）

CMRR：VSS 至 (VDD–1.35)V

NCV2023x 運(yùn)算放大器系列是各種功能塊和電子控制單元中傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)應(yīng)用的理想選擇。電流檢測(cè)能力：高邊電流檢測(cè)高達(dá) 36V 共模。低邊電流檢測(cè)為共模至地。

NCV7041 電流檢測(cè)放大器

NCV7041 是一款高電壓、高分辨率電流檢測(cè)放大器。它提供 14、20、50 和 100 V/V 的增益選項(xiàng)，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)最大增益誤差為 ±0.3%。共模輸入電壓范圍非常寬，為 ?6 V 至 80 V。NCV7041 可以在各種汽車應(yīng)用中通過(guò)檢測(cè)電阻執(zhí)行單向或雙向電流測(cè)量。

增益帶寬：100kHz

輸入失調(diào)電壓：±300 μV（最大值）

輸入失調(diào)漂移：±3μV/°C（最大值）

CMRR：85dB（最小值）

NCV2023x 運(yùn)算放大器系列是各種功能塊和電子控制單元中傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)應(yīng)用的理想選擇。電流檢測(cè)能力：高邊電流檢測(cè)高達(dá) 36V 共模。低邊電流檢測(cè)為共模至地。

NCV7041 電流檢測(cè)放大器

NCV7041 是一款高電壓、高分辨率電流檢測(cè)放大器。它提供 14、20、50 和 100 V/V 的增益選項(xiàng)，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)最大增益誤差為 ±0.3%。共模輸入電壓范圍非常寬，為 ?6 V 至 80 V。NCV7041 可以在各種汽車應(yīng)用中通過(guò)檢測(cè)電阻執(zhí)行單向或雙向電流測(cè)量。

增益帶寬：100kHz

輸入失調(diào)電壓：±300 μV（最大值）

輸入失調(diào)漂移：±3μV/°C（最大值）

CMRR：85dB（最小值）

NCV8730 寬輸入電壓范圍 LDO

NCV8730 是新一代 CMOS LDO 穩(wěn)壓器，支持高達(dá) 38V 的輸入電壓和 150mA 的輸出電流。僅 1μA 的超低靜態(tài)電流使該器件成為“始終開啟”應(yīng)用的理想方案。此外，它還提供出色的負(fù)載/線路瞬態(tài)調(diào)節(jié)功能，以及可復(fù)位 MCU 的輸出 Power-Good 功能?？捎梅庋b：TSOP-5 和 WDFN-6。

支持汽車瞬變應(yīng)用

非常適合“始終開啟”的應(yīng)用

可抑制浪涌電流以保護(hù) IC

可復(fù)位 MCU 以避免故障

1.2V to 24V

提供固定和可調(diào)電壓選項(xiàng)：1.2V 至 24V

輸出電流為 150mA、輸出電壓為 3.3V 時(shí)，典型壓降為 290mV