文：電馳科研（137 電車工坊）技術總監／羅玉林
特斯拉是汽車電氣架構革新的先鋒，特斯拉第一次大規模引進以高側驅動取代傳統繼電器和保險絲，進而採用主幹供電，拋棄傳統繼電器和保險絲盒。
以前汽車各種用電設備是用汽車配電盒來管理，它由繼電器+保險絲構成，電氣線路故障時，配電盒中對應電路的保險絲能夠在電流過大時自動熔斷，從而保護電氣線路和用電設備，繼電器則是用於驅動大功率負載。
但這類配電盒只有電氣，沒有電子，因為無法監控預警，出了問題就只能知道出了問題，無法解決問題，如圖1－2所示。
2016年特斯拉Model 3在車身域中採用了大量HSD (High side driver)晶片取代了繼電器和保險絲，它們用於負責控制汽車各種負載（例如小馬達、燈、風扇、泵、閥等）的啟動和保護。
很明顯HSD晶片屬於驅動晶片的一種，而根據電路結構，驅動電路可以分為高側、低側、推挽半橋、H橋、串聯等。
實質上這是閘極驅動，用如 MOSFET、IGBT、SiC MOSFET、GaN HEMT 等開關速度和時間的積體電路。其主要功能是放大控制訊號，提供足夠的電流對功率元件的閘極進行快速充放電，從而實現高速開關，減少開關過程中的能量損失，並保護控制器元件免受過高電壓或電流的損害，如圖3所示。
高側驅動（也稱為高邊開關）：位於電源正極與負載之間，控制電流輸入，就像水龍頭，控制水流開啟；在設計時難度較高，如使用NMOS，需滿足閘極電壓（Vg）大於源極電壓（Vs），而源極在導通時要等於電源電壓（如12V），故需額外升壓電路使Vg提升至電源電壓以上。
使用PMOS可直接用閘極低電平導通（Vg<Vs），但製程複雜、導通電阻大，成本高於NMOS方案。在低側驅動器中，控制訊號直接驅動閘極，適合用於直流/交流馬達驅動等應用。
高側驅動器用於驅動上方的功率元件，通常需要較為複雜的電路設計，因為高側驅動器的電源可能會隨功率元件的工作狀態變化。高側驅動器通常利用浮動電源或透過 bootstrap 電路提供閘極所需的高電壓，如圖4所示。
高側驅動的特點與功能：
- 精確控制: 高側驅動通常用於需要精確控制的組件，例如馬達、燈光、車身電子控制單元（ECU）等。
- 保護與診斷: HSD 晶片內建保護和診斷功能，在發生短路等故障時，反應速度比傳統保險絲更快，可提高安全性。
- 高整合度: 現代的高側驅動器能將多種功能整合到一個緊湊的封裝中，減少電路板面積，簡化設計。
- 高壓應用: 在電動車的高壓系統中，高側驅動器是實現精確、安全控制的關鍵，通常會集成在電池管理系統 (BMS) 或車身控制器中。
高側驅動的應用範例：
- 車身電子控制: 控制燈光、電動窗、雨刷等車身功能。
- 智慧駕駛: 控制馬達、感應器等智慧駕駛相關組件。
- 電源管理: 在高壓系統中管理電池的充放電和功率傳輸。
低側驅動（也稱為低邊開關）：位於負載和電源負極之間，控制電流迴路，就像排水閥門，控制水流排出路徑，設計難度較低，適合成本控制場景。
當負載發生短路故障時，高側驅動會切斷電源，負載不會工作，而低側驅動不具備此特性，例如負載通過車架形成迴路，持續工作。
發生短路電源故障時，高側無法關斷，無法保護負載，但現在已有的智慧高側晶片已整合負載開路/短路檢測，成本會高一點，而低側開關斷開後負載與地隔離，停止工作。目前的HSD晶片監控負載在開關過程中的短路和開路，電流和電壓等情況，對負載進行保護和診斷，同時，高側驅動集成箝位關斷功能，為開關能量的處理能力提供支援，不需要續流電流再循環路徑，從而降低設計難度，降低電池能耗，節省系統成本。
區域架構不再從保險絲盒引出電源，而是透過配電盒(PDB) 和區域控制模組(ZCM) 分配電力。
PDB 為車輛電源提供 ZCM 和其他高功率ECU主要高電流配電。 ZCM 則為附近的 ECU 和感測器提供二級配電。
這種設計優化了佈線，並增強了對電子功耗的控制。特斯拉 Model3/Y 將配電盒換了個名字，叫PCS (電力轉換系統) ，如圖5所示。
ZCM和PDB 也使用基於半導體的開關—智慧型 eFuse(電子保險絲)，整合了熔斷器和機械繼電器的功能。
透過添加可軟體重設的開關，區域架構有效消除了對可接近PDB的需求，因為現在軟體可以單獨管理每個開關，包括保護線束和故障恢復所需的演算法。
區域架構也幫助OEM透過更好地管理車輛功耗，提高對配電系統的控制。在實際應用中，這涉及車輛軟體關閉 eFuse，從而切斷雜項或未使用功能的電源，以確保安全關鍵功能有足夠的電力運作。
將特定負載的電源關閉的概念，進一步擴展為透過 eFuse 的低功耗狀態驅動始終供電（PAAT）負載，以最小化總功耗。
即使在車輛鑰匙關閉或停車狀態下，PAAT 負載（如門鎖）仍然通電，以確保安全關鍵功能的正常運行，並保持大容量電容充電。
當 PAAT 功能運作時， eFuse會退出低功耗狀態，完全驅動負載並通知本地微控制器（MCU）。 eFuse 在空閒一段時間後會重新進入低功耗狀態。
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