从安全配电到通信保护：48V 汽车系统的四大设计挑战

引言

48V 系统正在逐渐取代传统的 12V 电源网，以降低线束重量和成本。为实现支持 3 级自动驾驶并搭载高级处理、边缘 AI、线控转向和线控制动系统的软件定义车辆，车辆电源需求正在不断增加。尽管 48V 系统解决了 12V 系统的线束问题，但仍须解决电子系统和电路设计中的四大关键难题。

本文介绍了向 48V 汽车系统转型所带来的四大设计挑战：

• 安全可靠的 48V 系统配电

• 高效的负载驱动和 48V 至 12V/5V/3.3V 转换

• 保护 12V 和 5V I/O 电路免受 48V 系统短路故障的影响

• 在 48V 系统发生故障的条件下保持 CAN 和 LIN 的完整性

挑战 1：安全可靠的 48V 系统配电

汽车制造商需要具有成本效益的电子架构，为安全关键型电子控制单元 (ECU) 提供故障条件下可运行的供电和输电能力，覆盖自动驾驶高性能计算单元和线控制动系统等核心元件。

TI 的智能电子保险丝高侧开关可取代传统的熔断型保险丝，提供必要的保护和诊断功能，确保在整台车辆中安全可靠地完成 48V 配电。智能电子保险丝集成了高级诊断功能，包括对地短路保护和可编程保险丝时间-电流特性，可实现可调节的线束保护。其他电子保险丝功能还包括集成式 ADC、电流、电压和温度检测电路。通过这些电路，配电系统能够检测系统级故障，并采取措施确保关键电子器件始终保持供电。此外，TI 电子保险丝达到 ISO 26262 汽车安全完整性等级 (ASIL) B 级，因此设计人员可以简化安全配电设计。

安全关键型 ECU 必须管理冗余电源输入，这通常需要对电源进行“或”运算或多路复用处理。此外，多个 48V 至 12V 直流/直流转换器输出通常在单个区域控制模块内进行“或”运算，以支持低功耗和正常运行两种模式。在这两种情况下，理想二极管控制器可提供具有反向电流阻断和可选过压和过流保护功能的高效“或”运算解决方案。

与 12V（相同功率条件下）相比，48V 系统中的负载电流降低了约 75%，因此安全配电架构可以得到进一步优化。负载电流的降低直接降低了配电电子器件（包括电子保险丝和分立式 MOSFET）的热应力。因此，设计人员可以省去传统的配电盒，进一步减少 ECU 的数量并降低成本。区域控制模块可执行主要和辅助配电功能。图 1 显示了传统 12V 配电架构与 48V 主干架构的对比。

图 1 传统 12V 与 48V 主干配电架构

挑战 2：高效的负载驱动和 48V 至 12V、5V 和 3.3V 转换

与 12V 相比，虽然 48V 可降低负载电流，但由于 MOSFET 导通和关断的上升和下降时间（tR、tF）增加，开关损耗 (PSW) 会增加大约四倍。方程式 1 可用于估算从 12V 转换到 48V 时 MOSFET 的开关损耗增加量。图 2 显示，如果 48V 和 12V 系统中的压摆率保持不变，则在 48V VDS 条件下，MOSFET 会使 tR 和 tF 增加四倍。即使漏源电压 (VDS) 增加可以与漏源电流降低相抵消，剩下的 tR 和 tF 增加四倍也会使 48V VDS 条件下的总体 PSW 相较于 12V 增加四倍。

方程式 1

图 2 48V 与 12V MOSFET 导通时的压摆率相同

设计人员必须抑制或减小持续导通和关断 MOSFET 的 48V 器件（如直流/直流转换器、电机驱动器、高侧开关、LED 驱动器和音频放大器）中的额外 PSW，同时限制电磁干扰（EMI）。用于降低 EMI 的传统设计手段（例如压摆率调节）非常有限。因此，必须采用其他方法，例如展频或脉宽调制时钟频率的抖动及更快的压摆率、改进的散热封装，以及使用氮化镓 (GaN) 替代 MOSFET 技术，从而降低热损耗和抑制 EMI。有关 48V 热性能和 EMC 性能权衡的更多信息，请参阅“48V 汽车车身电机应用的设计权衡”和“48V 汽车系统的电机驱动器压摆率注意事项”。

将 48V 转换为 12V、5V 或 3.3V 的高功率应用需要不同的直流/直流转换拓扑。每种拓扑选择（降压转换器、降压/升压转换器、开关电容器转换器 [SCC]、开关谐振回路转换器 [STC] 或电感器-电感器-电容器 [LLC] 转换器）都会在热性能、复杂性、尺寸和成本之间进行权衡取舍。此外，由于第一代 48V 车辆中仍存在 12V 负载，因此添加了新的 48V 至 12V 转换器来为外部负载供电。最后，48V 车辆必须采用 12V 至 48V 升压或双向 48V 至 12V 转换器，以支持从 12V 车辆搭电启动。

区域控制模块在 48V 至 12V 转换器输出上通常需要 >250W 的标称功率，因此需要额外的拓扑来提高效率和降低热损耗。降压/升压转换器可以处理宽输入电压范围，但可能需要多个相位。STC 和 SCC 拓扑通常可提供一种以极少或无磁性元件实现高密度、高效率转换的方式，但需要大型陶瓷电容器组和大量 MOSFET。LLC 转换器可将效率提升至约 98%，但需要尺寸大且成本高昂的磁性元件。

GaN 解决方案可以进一步强化各种拓扑结构，例如 TI 的 LMG708B-Q1 降压转换器可提供简单紧凑的解决方案来减小印刷电路板的尺寸。图 3 展示了一个以紧凑外形为 TAS6754-Q1 D 类音频放大器供电的两相 LMG708B-Q1 48V 至 12V 降压转换器。

图 3 Panasonic 48V 至 12V 设计，

使用 TI 的 LMG708B-Q1 转换器

以紧凑外形为 D 类音频放大器供电

挑战 3：保护外部 12V 和 5V I/O 电路免受 48V 系统短路故障的影响

第一代 48V 架构中同时存在着 48V、12V 和 5V 负载。48V 电源将在整个车辆中分配电力，并直接驱动高功率负载。区域控制模块中的本地转换器将从 48V 电源产生 12V 电压，以驱动多个低功耗 (<60W) 电机、螺线管、LED 和阻性负载。5V 电压将继续为负温度系数电阻器和霍尔效应传感器等小型非板载元件供电。除了输出外，许多 ECU 还具有非板载输入，例如数字开关（按钮）和模拟传感器（NTC 电阻器、电位器等），均需要对其提供保护以应对 48V 系统短路故障。48V 和 12V 或 5V 输入或输出之间的连接器或电线短路可能会损坏传统元件，导致系统关键故障，最终导致成本高昂的 ECU 更换。

图 4 当从 48V 降压时，任何电压电平下都可能发生短路

采用 48V 供电的 ECU 设计还必须支持电源瞬态标准，例如即将实施的 ISO 25769，以确保在整个车辆生命周期内安全可靠地运行。要想用于最坏情况，还需要额外的保护电路或扩展的器件功能。TI 提供丰富的 48V 负载驱动器产品系列，其中包括有刷直流电机驱动器、无刷直流电机驱动器、高侧开关和电子保险丝，以及内置的 48V 短路保护多路复用器。

挑战 4：在 48V 系统发生故障的条件下保持 CAN 和 LIN 的完整性

控制器局域网（CAN）、CAN 灵活数据速率 (FD) 和局域互连网络 (LIN) 等协议对于 ECU 通信至关重要。如果 48V 电源和通信总线之间发生短路，所有收发器都必须避免受到损坏。此外，CAN 和 CAN FD 网络通常携带安全关键型数据，即使在接地失效后单个节点发生故障时，也需要正常通信。

图 5 CAN 总线短路情况影响 ECU 通信总线

尽管这些故障情况并不少见，但 48V 系统会改变其要求。总线电压将超过传统收发器的耐受能力，并且由于 48V 悬空 CAN 节点的共模电压增加，接地失效会导致整个总线瘫痪。TI 的 CAN 和 LIN 收发器可以承受这两类工况，实现 ±70V 总线故障防护，从而满足最新的 ISO 25769 标准。

面向未来十年的48V 系统进行设计

在汽车行业中，向 48V 系统过渡的势头持续强劲。虽然 48V 电源网可以支持未来的 L3+ 自动驾驶和 AI 定义汽车，但也带来了配电、电源转换、ECU I/O 保护和通信等方面的新挑战。半导体层面的创新直接解决了相关难题，使汽车制造商能够简化系统设计并更快地将汽车推向市场。