【導(dǎo)讀】隨著電動汽車發(fā)展，區(qū)域控制架構(gòu)正成為行業(yè)關(guān)鍵趨勢。安森美指出，該架構(gòu)通過集中計(jì)算與分布式配電，大幅簡化線束設(shè)計(jì)，降低車輛重量與成本。區(qū)域控制器（ZCU）作為核心，集成智能開關(guān)器件如eFuses與SmartFETs，提升功能安全與故障應(yīng)對能力。同時(shí)，10BASE-T1S等以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)通信。安森美推出的NCV841x系列SmartFET及以太網(wǎng)評估板，為架構(gòu)演進(jìn)提供了高性能半導(dǎo)體解決方案，助力汽車電氣化與智能化升級。
汽車電氣架構(gòu)升級，安森美如何推動區(qū)域控制架構(gòu)進(jìn)化
作者：安森美
隨著電動汽車（EVs）的興起，區(qū)域架構(gòu)（Zonal Architecture）正逐步成為應(yīng)對汽車行業(yè)快速變革的關(guān)鍵方案。目前，低壓配電和車載網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域已涌現(xiàn)出多項(xiàng)重大技術(shù)突破。其中，分布式區(qū)域配電方式大幅簡化了線束設(shè)計(jì)，不僅降低了車輛重量，還減少了制造復(fù)雜度與成本。
軟件定義汽車（SDVs）的發(fā)展趨勢，正推動車企加速創(chuàng)新 —— 在區(qū)域控制器中集成具有保護(hù)功能的半導(dǎo)體開關(guān)便是重要方向之一。eFuses和SmartFETs能夠?qū)ω?fù)載、傳感器及執(zhí)行器提供保護(hù)，從而提升功能安全性，并優(yōu)化故障應(yīng)對表現(xiàn)。
與傳統(tǒng)的域架構(gòu)（Domain Architecture）不同，區(qū)域架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了控制與計(jì)算的集中化：將原本分散在各個電子控制單元（ECUs）中的軟件，遷移至功能強(qiáng)大的中央計(jì)算機(jī)。這種架構(gòu)調(diào)整為下游電子設(shè)備的控制的配電管理提供了更高的靈活性。
區(qū)域控制器 (ZCU) 是車輛區(qū)域控制架構(gòu)中的基本元素， 負(fù)責(zé)管理指定區(qū)域內(nèi)的配電。 它從電源分配單元獲取電力，并將電力智能分配給所負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)的各種電氣系統(tǒng)、 負(fù)載和傳感器。 借助汽車以太網(wǎng)， ZCU 還可充當(dāng)車輛的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)， 通過 100/1000BASE-T1 以太網(wǎng)主干網(wǎng)， 與中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行上游通信。
與攝像頭、 傳感器、 激光雷達(dá)等邊緣節(jié)點(diǎn)的下游通信則建立在 10BASE-T1S 以太網(wǎng)上。 傳統(tǒng)的 ECU 仍可通過 CAN、 LIN 等傳統(tǒng)總線， 保持與 ZCU的連接。
ZCU 中的關(guān)鍵元件包括 SmartFET、 eFuse 和分立 MOSFET。 ZCU 還支持高速通信網(wǎng)絡(luò)， 可利用 NCV7410 和T30HM1TS2500 等 10BASE-T1S 以太網(wǎng)收發(fā)器。 通過這些收發(fā)器， ZCU 可與中央計(jì)算機(jī)或其他車輛系統(tǒng)進(jìn)行高效數(shù)據(jù)通信。 下面的框圖簡要展示了 ZCU 的組成結(jié)構(gòu)。
從傳統(tǒng)架構(gòu)到區(qū)域控制架構(gòu)
隨著車內(nèi)電子系統(tǒng)的不斷增加， 電力分配變得更加復(fù)雜， 線束的設(shè)計(jì)難度也大大增加。 基于域的傳統(tǒng)布線方法將相似功能（動力系統(tǒng)、 底盤、 信息娛樂系統(tǒng)、 車身和舒適度系統(tǒng)等） 連接到一起， 如今已不夠高效， 也不夠靈活。汽車行業(yè)正在從集中式配電轉(zhuǎn)向分布式區(qū)域配電。 傳統(tǒng)上分散在車內(nèi)各處的眾多 ECU 如今可由區(qū)域控制器 (ZCU) 取代。
單個電源分配單元 (PDU) 充當(dāng)配電樹的第一級。 PDU 連接到車輛的低壓 (LV) 電池或 HV-LV DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出端， 由轉(zhuǎn)換器將高壓 (HV) 電池的電壓降低。 PDU 通過大電流保險(xiǎn)絲提供主要保護(hù)， 并將電力智能分配至車輛內(nèi)的各個區(qū)域， 確保高效可靠的電源管理。 ZCU 在各自區(qū)域內(nèi)進(jìn)一步分配電力并管理電氣元件， 大大減輕了線束的重量和復(fù)雜性。
借助汽車以太網(wǎng)， ZCU 還可充當(dāng)車輛的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)， 通過100/1000BASE-T1 以太網(wǎng)主干網(wǎng)， 與中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行上游通信。 與攝像頭、 傳感器、 激光雷達(dá)等邊緣節(jié)點(diǎn)的下游通信則建立在 10BASE-T1S 以太網(wǎng)上。 傳統(tǒng)的 ECU 仍可通過 CAN、 LIN 和 FlexRay 等傳統(tǒng)總線， 保持與 ZCU 的連接。
2025+ 年代區(qū)域控制架構(gòu)示例
本示例中， 車輛被分為四個區(qū)域， 每個角落一個（圖 3） ， 由 ZCU 進(jìn)行管理。 PDU 將電力分配到各個區(qū)域， 然后由ZCU 進(jìn)一步管理配電樹的第二級。 這種分布式配電模式涵蓋了增加的冗余。 每個 ZCU 負(fù)責(zé)分配電力并管理按位置分組的電氣元件。 受保護(hù)的半導(dǎo)體開關(guān)（例如電子保險(xiǎn)絲和 SmartFET） 可為負(fù)載、 傳感器和執(zhí)行器提供保護(hù)， 從而提高功能安全性， 更好地應(yīng)對功能故障情況。
圖 3：區(qū)域（分布式）配電
區(qū)域控制架構(gòu)產(chǎn)品
用于下橋保護(hù)的 SmartFET NCV841x“F”系列
安森美提供兩種系列的下橋 SmartFET：基礎(chǔ)型 NCV840x 和增強(qiáng)型 NCV841x。這兩個系列的引腳相互兼容， 且采用相同的封裝。 NCV841x 改進(jìn)了 RSC 和短路保護(hù)性能， 可顯著延長器件的使用壽命。 NCV841x SmartFET 采用了溫差熱關(guān)斷技術(shù)， 可有效防止高熱瞬變對器件的破壞， 確保優(yōu)異的 RSC 性能。
NCV841x 系列具有非常平坦的溫度系數(shù)， 可在 -40℃至 125℃ 的溫度范圍內(nèi)保持一致的電流限制。 由于基本不受溫度影響， 因此無需為應(yīng)對寒冷天氣條件下的電流增大而選擇更粗的電線。 電線尺寸減小有助于降低車輛線束的成本和占用空間。過電流、 過壓保護(hù)， 集成漏極至柵極箝位和 ESD 保護(hù)。
NCV841x SmartFET 框圖，包括自我診斷和保護(hù)電路
評估板 - 10BASE-T1S 以太網(wǎng)收發(fā)器
對于 NCV7410 10BASE-T1S 以太網(wǎng)收發(fā)器， 當(dāng)前已有兩款評估板 (EVB) 可用于評估。 如需獲取評估板和配套的軟件圖形用戶界面 (GUI)， 請聯(lián)系安森美銷售人員。 評估板按連接方式分為兩種版本：
?MAC-PHY（SPI 接口） ， 通過 SPI 接口與 MCU 兼容。
?10BASE-T1S 轉(zhuǎn) USB 加密狗， 可用于兩種不同的用例：
ü 通過 USB-C 端口將 PC 連接到 10BASE-T1S。 使用安森美的 GUI 來控制評估板。 引腳接頭可連接到示波器或信號分析儀， 用于監(jiān)測 MII 接口流量。
ü 通過引腳接頭連接到遠(yuǎn)程 MCU， 以評估 10BASE-T1S PHY。NCV841x SmartFET 框圖，包括自我診斷和保護(hù)電路。
