探討從6V到48V的電氣系統(tǒng)挑戰(zhàn)與現(xiàn)代保護(hù)策略

現(xiàn)代汽車的電子化程度日益加深，已成為高度復(fù)雜的集成電子系統(tǒng)。一輛普通乘用車集成的 ECU（電子控制單元）數(shù)量通常在 70 至 100 個之間，高端車型則可能超過 150 個。無論是發(fā)動機(jī)控制、ADAS 輔助駕駛，還是車載信息娛樂、車聯(lián)網(wǎng)模塊，所有這些功能的可靠運(yùn)行，都依賴于一個穩(wěn)定的車載供電網(wǎng)絡(luò)。

然而，車載電源環(huán)境并非理想的恒定直流電，而是持續(xù)受到電壓波動、瞬態(tài)脈沖、冷啟動、拋負(fù)載以及外部電磁干擾的影響。這些電氣應(yīng)力可能導(dǎo)致 ECU 重啟、數(shù)據(jù)丟失，甚至元器件的永久性損壞。因此，系統(tǒng)地理解汽車電子標(biāo)準(zhǔn)電壓的演變，并掌握相應(yīng)的電路保護(hù)需求與解決方案，對工程師和制造商而言至關(guān)重要。

一、 汽車電子標(biāo)準(zhǔn)電壓的發(fā)展歷程

1. 6V 系統(tǒng)的起點(diǎn)

在早期汽車工業(yè)中，電氣化應(yīng)用較為基礎(chǔ)，主要限于點(diǎn)火與照明。一個 6V 的鉛酸電池系統(tǒng)足以滿足當(dāng)時的需求。但隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)步和電氣設(shè)備的增多，6V 系統(tǒng)逐漸暴露出明顯的技術(shù)瓶頸：

• 電流過大：在同等功率下，低電壓導(dǎo)致工作電流過大，需要使用粗重且昂貴的線束，同時線路能量損耗也更高。
• 啟動性能不足：尤其在寒冷條件下，難以提供足夠功率來高效驅(qū)動啟動馬達(dá)。
• 擴(kuò)展能力有限：無法有效支持更多新增的電子設(shè)備。 這些限制使得 6V 系統(tǒng)在上世紀(jì) 50 年代后被行業(yè)逐步淘汰。

2. 12V 系統(tǒng)成為主流

自 1950 年代起，12V 系統(tǒng)迅速普及，并成為全球乘用車的主流標(biāo)準(zhǔn)，主要得益于其顯著優(yōu)勢：

• 功率傳輸優(yōu)化：電壓提升一倍，意味著在傳輸相同功率時，電流可減半，這直接降低了對線束規(guī)格的要求和成本。
• 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化：12V 系統(tǒng)催生了完整的零部件供應(yīng)鏈生態(tài)，便于全球范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與維修。
• 良好的兼容性：能夠穩(wěn)定支持收音機(jī)、電動車窗、空調(diào)系統(tǒng)等功率需求更高的電子設(shè)備。 至今，12V 系統(tǒng)仍在全球絕大多數(shù)乘用車中作為基礎(chǔ)電壓平臺。

3. 24V 系統(tǒng)在商用車領(lǐng)域的應(yīng)用

卡車、客車及各類工程機(jī)械通常搭載大排量柴油發(fā)動機(jī)，啟動時需要極大的扭矩。為滿足這一需求，商用車領(lǐng)域普遍采用 24V 系統(tǒng)：

• 實(shí)現(xiàn)方式：通過串聯(lián)兩個 12V 電池獲得。
• 核心優(yōu)勢：在提供強(qiáng)大啟動功率的同時，將工作電流維持在合理水平，優(yōu)化了重型車輛電氣系統(tǒng)的效率與可靠性。

4. 48V 系統(tǒng)的興起與電氣化趨勢

隨著自動啟停、電動渦輪、主動懸架等大功率電氣化負(fù)載的增加，12V 系統(tǒng)逐漸接近其約 3kW 的功率供給上限。為此，48V 輕度混合動力系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生：

• 支持更高功率：在低于 60V 安全電壓的范圍內(nèi)，能夠支持更大功率的負(fù)載，滿足車輛更高階的電氣化需求。
• 提升能源效率：有效提高自動啟停和制動能量回收的效率，是滿足日益嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放法規(guī)的關(guān)鍵技術(shù)。 48V 系統(tǒng)已成為當(dāng)前混合動力與新能源汽車發(fā)展的重要技術(shù)方向。

二、 汽車電氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵電壓挑戰(zhàn)

1. “12V”是一個動態(tài)變化的電壓范圍

車載電源的實(shí)際電壓隨車輛工況持續(xù)波動：

• 靜態(tài)電池電壓：約 12.6V
• 發(fā)動機(jī)運(yùn)行充電時：穩(wěn)定在 13.5–14.5V
• 發(fā)動機(jī)啟動瞬間：可能跌至 4V 以下 這意味著所有車載電子設(shè)備必須具備在寬輸入電壓范圍內(nèi)正常工作的能力。

2. 拋負(fù)載（Load Dump）

這是車載電氣瞬態(tài)中最具破壞性的過壓事件。

• 成因：通常發(fā)生在發(fā)電機(jī)為電池充電時，電池連接意外斷開，發(fā)電機(jī)存儲的磁場能量瞬間釋放到供電網(wǎng)絡(luò)中。
• 危害：產(chǎn)生一個幅值可達(dá) 80–100V、持續(xù)數(shù)百毫秒的高能量過壓脈沖，極易造成后級電子元器件的過壓擊穿。
• 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：ISO 16750-2、ISO 7637-2 等國際標(biāo)準(zhǔn)中對此有明確的測試規(guī)范。

3. 冷啟動（Cold Crank）

• 成因：發(fā)動機(jī)啟動馬達(dá)在啟動瞬間會吸收巨大電流，導(dǎo)致電池電壓急劇下降。
• 危害：系統(tǒng)電壓可能驟降至 4V 以下，導(dǎo)致 ECU 或 MCU 因欠壓而復(fù)位，引發(fā)功能中斷、通信丟失等問題。

4. 其他常見電氣威脅

• 電源反接：在維修或更換電池時可能發(fā)生的人為失誤，若無保護(hù)，會直接損壞電源模塊。
• 靜電放電（ESD）：在生產(chǎn)、裝配和維修過程中，高達(dá) ±15kV 的靜電可能損壞敏感的接口芯片。
• 快速瞬變脈沖（EFT）：繼電器、電機(jī)等感性負(fù)載的開關(guān)動作，會在電網(wǎng)中引入高頻脈沖噪聲，干擾通信總線。

三、 現(xiàn)代電路保護(hù)策略與器件選擇

應(yīng)對復(fù)雜的電氣挑戰(zhàn)，需要系統(tǒng)性的保護(hù)策略，而非依賴單一器件?，F(xiàn)代汽車電子保護(hù)設(shè)計(jì)通常遵循“分層防護(hù)”和“按需選擇”的原則。

1. 電源入口的“縱深防御”

電源輸入端口是抵御外部浪涌和瞬態(tài)的第一道關(guān)卡。一種成熟的策略是采用兩級或多級防護(hù)。例如，可以先使用一顆車規(guī)級壓敏電阻（MLV）吸收大部分浪涌能量，再利用一顆瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）進(jìn)行快速、精準(zhǔn)的電壓鉗位，確保后級電路的安全。在這一環(huán)節(jié)，選擇符合 AEC-Q101/Q200 標(biāo)準(zhǔn)的高品質(zhì) TVS 和 MLV 器件是確保防護(hù)效果的基礎(chǔ)。

1. 通信接口的“精準(zhǔn)防護(hù)”

CAN、LIN、車載以太網(wǎng)等通信總線負(fù)責(zé)傳輸關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其接口保護(hù)的核心要求是“既要防得住，又不能影響信號”。因此，需要選用具有超低結(jié)電容的專用 ESD 防護(hù)器件或 TVS 陣列，以防止信號失真。在電磁兼容（EMC）要求高的場合，有時還會采用集成了共模與差模保護(hù)功能的專用接口保護(hù)器件，例如 Boarden 推出的 BIS 系列，能夠有效濾除噪聲，保障通信質(zhì)量。

1. 不同負(fù)載的差異化保護(hù)

對于 LED 驅(qū)動、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動等不同類型的負(fù)載，其電氣特性和易受攻擊的模式也不同，需要進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)。例如，LED 照明系統(tǒng)對浪涌較為敏感，通常會在驅(qū)動電路前端配置 MLV 或 TVS 進(jìn)行防護(hù)。

四、 未來趨勢：48V 系統(tǒng)帶來的保護(hù)新要求

隨著行業(yè)向 48V 及更高電壓平臺發(fā)展，對電路保護(hù)器件也提出了新的要求：

• 更高的耐壓等級：器件需具備在更高標(biāo)稱電壓下工作的能力，并能承受相應(yīng)比例增大的瞬態(tài)過壓。
• 更強(qiáng)的能量耐受性：48V 系統(tǒng)存儲和傳輸?shù)哪芰扛?，要求保護(hù)器件具備更高的浪涌吸收能力。 這些新趨勢推動著電路保護(hù)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，要求供應(yīng)商提供性能更強(qiáng)、可靠性更高的車規(guī)級產(chǎn)品。

汽車電子標(biāo)準(zhǔn)電壓從 6V 到 48V 的演變，是行業(yè)對更高功率、效率和可靠性不懈追求的體現(xiàn)。在這一進(jìn)程中，拋負(fù)載、冷啟動等電氣挑戰(zhàn)是始終存在的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，依據(jù)應(yīng)用場景選擇恰當(dāng)、可靠的電路保護(hù)方案，是保障整車功能安全、提升最終用戶體驗(yàn)的根本要求。寶宮 Boarden 已推出一系列車規(guī)級電路保護(hù)產(chǎn)品，通過 AEC-Q200/ISO7637 等標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證，為客戶提供車規(guī)級、高可靠性的電路保護(hù)產(chǎn)品與解決方案，助力汽車電子產(chǎn)業(yè)安全發(fā)展。