从小白到自动驾驶系统工程师20——智能配电

自动驾驶除了需要精准感知、合理规划、准确执行外，对电气系统的安全性、可控性也提出了更高要求。传统的电器盒一般由保险丝、继电器组成，目前市面上几乎所有的车辆电气系统都在使用这种电器盒。这种设计对传统车来说是没有问题的，但对于自动驾驶系统，这种技术已经无法满足技术需求及安全性需求了。

ISO 26262对相应的ASIL等级安全目标的随机硬件失效概率度量PMHF要求如下：

FIT：时基故障，每工作10亿个小时发生的故障数。

传统的保险丝为被动要素，无自检能力，其失效模式的诊断覆盖率很难论证做到ASIL，传统的继电器为非MOS管式，随机硬件失效率也很高，也无法满足安全目标分配到零部件的PMHF。基于此，特斯拉Model 3完全取消了保险丝和继电器，采用基于半导体技术的MOSFET和HSD芯片。

MOSFET的工作原理是什么

介绍MOS管工作原理之前，我们先了解一下什么是P-N结。二极管中含有一个P-N结，在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。

从下图中可以看出MOS管的漏极D和源极S之间有两个背靠背的P-N结。当栅-源电压VGS=0时，即使加上漏-源电压VDS，总有一个P-N结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道（没有电流流过），所以这时漏极电流IDS=0。

此时若在栅-源极间加上正向电压，如上所示，即VGS＞0，则栅极和硅衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个栅极指向P型硅衬底的电场，由于氧化物层是绝缘的，栅极所加电压VGS无法形成电流，氧化物层的两边就形成了一个电容，VGS等效是对这个电容充电，并形成一个电场，随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在这个电容的另一边就聚集大量的电子并形成了一个从漏极到源极的N型导电沟道，当VGS大于管子的开启电压VT（一般约为 2V）时，由于电场的作用，N沟道开始导通，形成漏极电流IDS。

我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，一般用VT表示。控制栅极电压VGS的大小改变了电场的强弱，就可以达到控制漏极电流IDS的大小的目的，这也是MOS管用电场来控制电流的一个重要特点，所以也称之为场效应管。

MOS管构造

讲了MOS器件的工作原理后，现在来了解一下MOS管的构造。在一块掺杂浓度较低的P型半导体硅衬底上，用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作为漏极D和源极S。然后在漏极和源极之间的P型半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(Si02)绝缘层膜，之后在这个绝缘层膜上装上一个铝电极，作为栅极G。这就构成了一个N沟道(NPN型)增强型MOS管。显然它的栅极和其它电极间是绝缘的。它的结构图和代表符号如下图所示。

同样用上述相同的方法在一块掺杂浓度较低的N型半导体硅衬底上，用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的P+区，及上述相同的栅极制作过程，就制成为一个P沟道(PNP型)增强型MOS管。下图所示分别是N沟道和P沟道MOS管道结构图和代表符号。

MOS管的电压极性和符号规则

上图是N沟道MOS管的符号，图中D是漏极，S是源极，G是栅极，中间的箭头表示衬底，如果箭头向里表示是N沟道的MOS管，箭头向外表示是P沟道的MOS管。

在实际MOS管生产的过程中衬底在出厂前就和源极连接，所以在符号的规则中;表示衬底的箭头也必须和源极相连接，以区别漏极和源极。

MOS管应用电压的极性和我们普通的晶体三极管相同，N沟道的类似NPN晶体三极管，漏极D接正极，源极S接负极，栅极G正电压时导电沟道建立，N沟道MOS管开始工作。

同样P道的类似PNP晶体三极管，漏极D接负极，源极S接正极，栅极G负电压时，导电沟道建立，P沟道MOS管开始工作。

MOS管的特性

上述MOS器件的工作原理中可以看出，MOS管的栅极G和源极S之间是绝缘的，由于SiO2绝缘层的存在，在栅极G和源极S之间等效是一个电容存在，电压VGS产生电场从而导致源极-漏极电流的产生。此时的栅极电压VGS决定了漏极电流的大小，控制栅极电压VGS的大小就可以控制漏极电流IDS的大小。这就可以得出如下结论：

1) MOS管是一个由改变电压来控制电流的器件，所以是电压器件。

2) MOS管道输入特性为容性特性，所以输入阻抗极高。

MOS管工作状态有四种，开通过程、导通状态、关断过程，截止状态；

MOS管主要损耗：开关损耗，导通损耗，截止损耗，还有雪崩能量损耗，开关

损耗往往大于后者；

MOS管主要损坏原因：过流（持续大电流或瞬间超大电流），过压（D-S，G-S被击穿），静电（可属于过压）；

MOS管工作过程非常复杂，里面变量很多，总之开关慢不容易导致米勒震荡，但开关损耗会加大，发热大；开关的速度快，损耗会减低，但是米勒震荡很厉害，反而会使损耗增加。驱动电路布线和主回路布线要求很高，最终就是寻找一个平衡点，一般开通过程不超过1us。

MOS管的重要参数及选型

Qgs：栅极从0V充电到对应电流米勒平台时总充入电荷，这个时候给Cgs充电（相当于Ciss，输入电容）；

Qgd：整个米勒平台的总充电电荷（不一定比Qgs大，仅指米勒平台）；

Qg：总的充电电荷，包含Qgs，Qgd，以及之外的其它；

上述三个参数的单位是nc（纳库），一般为几nc到几十nc；

Rds（on）：导通内阻，这个耐压一定情况下，越小损耗；

总的选型规则：Qgs、Qgd、Qg较小，Rds（on）也较小的管。

基于半导体器件的配电方案

基于半导体器件的配电方案根据应用场景有两种：

1.驱动芯片+ MOSFET分立方案。这种方案的复杂度高很高，突出表现在：电流检测难度大，电路保护复杂，诊断功能复杂，保护功能少、保护速度慢、保护策略复杂。该方案的综合成本较高，适用于大电流场合。目前车载应用较少——车载大电流应用还是以保险丝+继电器为主。

2.HSD智能高边开关集成方案，单芯片集成了驱动+MOSFET+电流检测+热保护+电压保护+EMC+各种诊断。此方案10年前已开始普及，至今仍限于小电流负载应用（特斯拉的FBCM中大量使用低RDS_ON（即低导通阻抗，大电流）的MOSFET用于电源分配，总数在50颗以上，小电流采用了英飞凌的HSD芯片，而作为二级配电的LBCM中则只用了20颗左右的MOSFET。可见特斯拉是根据情况，大电流采用方案1，小电流采用方案2。

HSD/继电器电流-成本与替代速度

未来的方向肯定是基于单芯片方案的智能HSD，随着技术的进步及成本的下降，应用范围会逐步扩大到车辆的整个电气系统，但个别极大电流应用仍将采用驱动+MOSFET的分立方案，整车电子化的时间据估计在2025-2030年之间。

目前，智能HSD芯片的供应商主要有以下几家：

1.Infineon英飞凌 其前身是西门子半导体部门。英飞凌的型号最全、系列最多、应用最广泛。从经典系列到5系、7系，涵盖了乘用车12V和商用车24V应用，目前市场应用最广泛的HSD芯片非英飞凌莫属。

2.ST意法半导体 同为老牌车载芯片厂家，除英飞凌外型号最全、系列最多，从5系到7系，涵盖乘用车及商用车，市场排名第二。

3.NXP恩智浦 老牌车载芯片厂家，HSD产品线来自于原Freescale，最早可追溯到Motorola摩托罗拉，技术实力雄厚，芯片设计独辟蹊径，通用产品很多是从定制化产品转过来的，名字可能都不相同，属于你没怎么见过、但实际用得很多的那种。产品系列很全，涵盖乘用车及商用车。

4.TI德州仪器 只要搞电子的没有不知道他家的，模拟器件世界巨头，从消费、工业到车载，你都绕不过他家的产品。HSD作为用量巨大的车载芯片，TI怎么舍得这块肉呢，于是从2014年便开始陆续推出其HSD产品，目前芯片系列已逐步完善，但还限于12V乘用车（商用车量还是太小了）。

5.Onsemi安森美 1999年从摩托罗拉的半导体部门分拆成立，2016年，安森美收购了Fairchild仙童半导体， Onsemi的HSD型号较少，且主要集中于小电流，算是一种设计补充。

讲到这里你有没有发现，全是欧美公司，甚至车载芯片大国日本都没有一家！因为HSD的基础是车规级MOSFET，而Infineon和ST有很好的车规级MOSFET基础，HSD芯片是一种数字+模拟的技术，对芯片工艺要求很高，芯片的车载应用场景很恶劣，对可靠性要求很高，所以不像其他类型的芯片，全球能做的厂家很少。

智能配电盒优势

相对于传统配电盒，智能配电盒具有功能更丰富、性能更强、EMC表现更好、可靠性更高、可编程、免维护、长寿命、防护等级高、更安全、更节能、小型化、轻量化、可诊断、可联网、精确供电管理、供电时序可控、迭代速度快、设计成本低、线束尺寸更短、价格更低等优势。

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