域控时代的新兴器件-E-Fuse

原创 一名汽车电子硬件工程师 2021-05-10 22:51

     E-Fuse的大规模应用,应该是从特斯拉开始,也是特斯拉将汽车的设计进行了颠覆,然后我们才发现,原来汽车上的配电盒居然可以取消,在汽车上用了几十年的传统保险丝,被特斯拉干掉了。

虽然最近特斯拉深陷刹车失灵的争议之中,但是并不妨碍各大Tier1巨头以及新能源汽车的厂商们对他优秀电子电器架构的模仿与学习。

E-Fuse的大规模应用,应该是从特斯拉开始,也是特斯拉将汽车的设计进行了颠覆,然后我们才发现,原来汽车上的配电盒居然可以取消,在汽车上用了几十年的传统保险丝,被特斯拉干掉了。

基于博世对电子电器架构的分级,在后期的域融合方面,会跟特斯拉一样,将整车上的执行器,按照就近原则,对车上的ECU进行极大的改革,一方面极大的节省线束,实现成本的下降,另一方面线束的减少对于车辆的减重有很大的帮助(偶然有一次了解到一个B级车的白车身,没记错的话也就两三百公斤,而整车上的线束总重量,也差不多是这么重。),同样也是有利于提高电动车的续航。

E-Fuse的应用场景

那么就回到我们这一次的主题,主题是说一下E-Fuse,那E-Fuse的应用场景是怎么样的呢?说到这个就得从电气电气的架构开始说起。以下内容部分信息参考文章:https://mp.weixin.qq.com/s/oFuCJZttITDGjSJSYeQtGQ

针对很早很早以前博世的一张对电子电气分类的这张图,从分布式,到集中式,到现在的中央集中式——第三阶段,也就是现在目前各种解决方案中推广的比较多的。包括大众的MEB平台的E3架构,宝马iNEXT车型的三域架构方案,华为的CC架构,伟世通的三域EEA方案,这都是目前比较主流的架构。

三域控主要就是包含以下三个域,分别是:车控域控制器(VDC,VehicleDomain Controller)、智能驾驶域控制器(ADC,ADAS\AD Domain Controller)、智能座舱域控制器(CDC,Cockpit Domain Controller)。


1、大众的MEB平台

对于大众MEB平台,其三域控的方案中包含:车辆控制服务器ICAS1、智能驾驶服务器ICAS2和信息娱乐服务器ICAS3。大众的中央域控制器集成了Switch的功能,这个Switch就有点像充当网络管理的角色,在目前的电子电气网络拓扑中,唤醒一个节点可以通过硬线或者网络管理报文,如果通过Switch,在所有策略都集中到域控中来执行的时候,通过Switch可以让子节点在需要它的时候再让它唤醒。另外一个方面,子节点的电源直接从中央域控过来,能够省掉之前绕去前舱的继电器盒再回来这么一圈的线束长度,能够极大的缩减线束的成本。

2、华为的CC架构

华为在上海车展上火了一把,火的是极狐汽车,但是我不知道极狐是什么电子电气架构。但目前华为也是三域控,包括VDC、CDC、MDC三个中央域,下面带四个区域控制器。四个区域控制器按照就近原则接入整车的控制节点,这种方式的中央域控与其他的三域控方案都类似,就是把整车控制,智能座舱,智能驾驶分开控制。

而其四个区域控制器则作为执行节点,为就近的节点进行控制,或者电源管理。

3、伟世通的三域方案

伟世通的三域控方案与华为的类似,也是分为整车控制,智能座舱,智能驾驶这三个,但是对于华为的高度集成4区域控制器方案,伟世通做了一些区别,二是有7个区域控制。

E-Fuse的应用案例

除了大众的MEB平台将所有的节点都交给中央域的控制来执行之外,其余的域控方案目前还暂时没有这么的激进,而是仍然将附件的控制独立出来,交给了区域控制器来执行,并且通过区域控制器来对子节点进行电源的管理。也就是通过E-Fuse来实现电源的供给与切断。不同的附件以及执行器按照就近原则放在不同的zone控制器下面来进行控制,通过zone控制器来对下一级的ECU电源进行管理,这就是E-Fuse的使用环境了。

下图就是一个比较典型的区域控制器的拓扑框图,其主要功能包括网关,因此能看到集成了大量的通讯节点,包括CAN、LIN、以太网。最重要的是通过E-Fuse来实现对子节点的电源管理。

E-Fuse与一般的高边驱动非常类似,通过对12V电源的控制,来输出12V给到下一级的用电器。以东芝的一款产品为例,它较为典型的一种应用电路如下图所示:

                      

其相对应的管脚定义如下表所示,这些都是从datasheet里面搬运过来的。

ILIM这个管脚是类似于定于E-Fuse的最大电流,在TCKE812NA这款E-Fuse中,通过一个下拉电阻来限定通过fuse的最大电流,计算公式如下,在参考电路里面,最大电流的选择需要根据线束来选择,假设选择AWG24的线束,那最大电流就是0.9A左右,根据要求计算出相当的电阻值。

1、发生过流故障时(还没有达到短路的情况下)

当在实际应用的时候,如果附件发现过流(非短路情况),E-fuse会立即检测到过流,此时最大输出电流就限制在E-fuse设定的最大值,并且降低输出电压,待芯片达到热保护的温度时,E-fuse关断输出。

如上图所示,是发生过流故障时重复开启的一种类型,达到热保护温度的时候,会关断输出,当温度下降后,又重复开启,直到过流故障消失。还有另外一种是发生过流故障后立刻关断输出,直到使能管脚重新置位才会重新输出。

2、发生短路故障时

如果在很短的时间内通过E-fuse的电流超过1.6倍的电流极限值(ILIM),那么芯片会判断为短路故障,短路保护功能立即开始起作用。会迅速将输出关断。

3、电压钳位功能

对于传统的fuse,当蓄电池发生较大的浪涌脉冲时,会无损的通过fuse传递到ECU的电源输入口上,而对于东芝的这款E-fuse,它还有一个钳位功能,对于5V输出的E-fuse,最大钳位电压为6.04V,而对于12输出的型号,最大钳位电压为15V,基本上能够满足ECU的全部电压工况。

参考文章:

https://mp.weixin.qq.com/s/oFuCJZttITDGjSJSYeQtGQ


总结

东芝的这个系列E-fuse,除了上述的功能之外,还能够通过外置MOSFET的方式来实现防反功能,也可以通过配置Cdv/dt来减小浪涌电流,并且在EN脚连接常电而ECU休眠的情况下,最大暗电流小于0.6mA,基本上满足ECU的暗电流需求。对于需要连接常电的应用场景来说,目前也是足够的。


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