【導(dǎo)讀】2026年9月8日，Teledyne e2v正式推出Flash? 1K2與Flash 8K兩款全新CMOS圖像傳感器，進(jìn)一步完善Flash系列產(chǎn)品矩陣。伴隨兩款新品落地，品牌Flash成像傳感器分辨率覆蓋范圍實(shí)現(xiàn)從1K到8K的全覆蓋，結(jié)合全系通用架構(gòu)、超高幀率與優(yōu)質(zhì)成像性能，可精準(zhǔn)匹配工業(yè)檢測、科學(xué)成像等多類高端高速應(yīng)用場景，為行業(yè)提供更多高適配、低成本的選型方案。
汽車行業(yè)正經(jīng)歷深刻變革，從傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車向電氣化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化方向轉(zhuǎn)型。這一轉(zhuǎn)型正在推動(dòng)下一代汽車架構(gòu)的發(fā)展，包括軟件定義汽車（SDV），并持續(xù)重塑現(xiàn)有電子電氣(E/E)系統(tǒng)和整車供電架構(gòu)。
本文概述了12V、24V和48V汽車電氣系統(tǒng)的發(fā)展歷程。從早期6V電池系統(tǒng)發(fā)展到當(dāng)今用于輕度混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的48V系統(tǒng)的歷程。同時(shí)重點(diǎn)介紹了48V系統(tǒng)在在線束減重和效率提升等方面的優(yōu)勢，并討論了電磁兼容性、電弧抑制和瞬態(tài)過壓等技術(shù)挑戰(zhàn)。
引言
早期汽車依靠磁電機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火并使用燃?xì)獯鬅簦⑽磁鋫鋵Ｓ玫碾姵毓╇婋姎庀到y(tǒng)。20世紀(jì)20年代至20世紀(jì)50年代，6V電池被廣泛應(yīng)用于汽車電氣系統(tǒng)。1 隨著汽車配備的發(fā)動(dòng)機(jī)功率和壓縮比的不斷提高，6V電池?zé)o法提供足夠的啟動(dòng)功率，也難以滿足電子電氣(E/E)系統(tǒng)日益增長的電力需求。自20世紀(jì)50年代以來，12V系統(tǒng)逐漸成為汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2 進(jìn)入21世紀(jì)后，48V輕混系統(tǒng)開始應(yīng)用于混動(dòng)總成，通過能量回收和再生制動(dòng)提高整車效率。3 隨著行業(yè)向更高電壓架構(gòu)演進(jìn)，全車48V電氣架構(gòu)于2023年開始進(jìn)入量產(chǎn)階段。4
車用12V、24V和48V電池
汽車電氣系統(tǒng)通常采用12V、24V和48V電池。12V電池主要用于乘用車，24V電池主要用于重型卡車、工程車輛以及其他商用車輛。而48V電池用于輕度混動(dòng)汽車并為小型電機(jī)供電。目前，48V電池也開始在純電動(dòng)汽車的低壓系統(tǒng)供電。
圖1展示了簡化的電驅(qū)動(dòng)總成架構(gòu)。傳統(tǒng)汽車（即內(nèi)燃機(jī)汽車）使用交流發(fā)電機(jī)為輔助電池充電。相比之下，混動(dòng)汽車通過48V或高壓(HV，定義為≥200V)電池為輔助電池充電。配備48V主電池的混動(dòng)車型通常被稱為輕度混動(dòng)汽車。插電式混動(dòng)汽車集成了高壓電池，并具備車載充電功能。完全由高壓電池驅(qū)動(dòng)的汽車被歸類為純電動(dòng)汽車(BEV)。
圖1：簡化的動(dòng)力系統(tǒng)：(a)內(nèi)燃機(jī)汽車，(b)混動(dòng)汽車（無車載充電器）或插電式混動(dòng)汽車（帶車載充電器），(c)純電動(dòng)汽車
汽車電氣系統(tǒng)的進(jìn)步與挑戰(zhàn)
汽車行業(yè)持續(xù)創(chuàng)新，不斷推動(dòng)車輛性能提升、座艙體驗(yàn)升級(jí)以及安全性能增強(qiáng)。一項(xiàng)顯著的進(jìn)展是混動(dòng)汽車的推出，旨在降低油耗并提高整體效率。高分辨率顯示屏與先進(jìn)座艙平臺(tái)的集成顯著改善了用戶界面，為駕駛員和乘客提供更豐富、更直觀的座艙體驗(yàn)。
此外，自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了雷達(dá)和攝像頭等感知系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用。并且提升了安全性和整體駕駛體驗(yàn)。隨著傳感器、高性能系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)平臺(tái)、計(jì)算單元和各種電子模塊的不斷增加，持續(xù)優(yōu)化了駕駛動(dòng)態(tài)和安全功能，也對(duì)整車供電系統(tǒng)的要求也持續(xù)提升，為汽車電源架構(gòu)帶來了新的挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)12V系統(tǒng)的局限性
歷史上，持續(xù)增長的車載電力需求推動(dòng)了從6V到12V系統(tǒng)的過渡；如今，類似的增長趨勢再度對(duì)12V架構(gòu)的能力邊界提出挑戰(zhàn)。自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速擴(kuò)展和對(duì)汽車網(wǎng)聯(lián)化的日益重視。電子控制單元(ECU)、傳感器、信息娛樂模塊和安全系統(tǒng)數(shù)量的增加，整體電力需求大幅上升。因此，汽車工程領(lǐng)域面臨一系列新挑戰(zhàn)，同時(shí)也迎來了進(jìn)一步創(chuàng)新的機(jī)遇。
由于技術(shù)進(jìn)步和高功耗元件的廣泛使用，現(xiàn)代汽車的低壓系統(tǒng)功率需求現(xiàn)已達(dá)到1.2kW至4kW。5 圖2展示了上述發(fā)展過程，描繪了汽車應(yīng)用中低壓系統(tǒng)功率需求的演變。
圖2：汽車低壓系統(tǒng)功率需求演變示例6–8
48V系統(tǒng)優(yōu)勢
48V系統(tǒng)能夠有效的支撐現(xiàn)代電氣架構(gòu)，能夠通過替代傳統(tǒng)機(jī)械和液壓系統(tǒng)（如線控轉(zhuǎn)向(2kW)和線控制動(dòng)(2kW)技術(shù)）來滿足日益增長的電力需求。與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，線控轉(zhuǎn)向和線控制動(dòng)系統(tǒng)提供更高的舒適性、安全性和車輛動(dòng)態(tài)性能。先進(jìn)的電氣系統(tǒng)減少了座艙空間占用和整車重量，使內(nèi)飾設(shè)計(jì)更具靈活性，并有助于提高燃油效率。此外，新型電氣系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地響應(yīng)駕駛員的控制輸入。
隨著電力需求持續(xù)增長，采用48V E/E系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢。48V E/E系統(tǒng)的主要優(yōu)勢之一是電流較傳統(tǒng)12V系統(tǒng)顯著降低。電流降至原來的四分之一后，線束重量和印刷電路板(PCB)尺寸均得以減小。此外，線束功率損耗也隨之降低，因?yàn)楦?xì)的導(dǎo)線電阻更低且電流更小，從而提高了效率。
根據(jù)美國線規(guī)(AWG)系統(tǒng)規(guī)范5–6，圖3對(duì)12V和48V線束進(jìn)行了總體比較。除考慮最大功率傳輸外，確保導(dǎo)線電阻引起的壓降保持在3%以下也至關(guān)重要。這意味著導(dǎo)線電阻對(duì)12V系統(tǒng)的影響比對(duì)48V系統(tǒng)更為關(guān)鍵。根據(jù)銅的密度(8.96g/cm3)和成本($11.11/kg)，可以輕松計(jì)算出導(dǎo)線的重量和價(jià)格。
圖3：12V與48V（2kW）線束的比較
48V系統(tǒng)的挑戰(zhàn)
48V系統(tǒng)在電源管理IC層面的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括：電磁兼容性(EMC)、電弧抑制和瞬態(tài)過壓保護(hù)。
電磁兼容性
硬開關(guān)過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓(dv/dt)和電流(di/dt)會(huì)對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器的EMC產(chǎn)生負(fù)面影響。電磁干擾(EMI)通常分為差模干擾和共模干擾：前者主要由寄生電感和瞬態(tài)電流引起，后者主要源于寄生電容和瞬態(tài)電壓。如圖4所示，半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷過程會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電壓、電流及功率損耗。比較12V和48V系統(tǒng)可知，48V系統(tǒng)的dv/dt更高，而12V系統(tǒng)的di/dt更高。雖然12V系統(tǒng)的導(dǎo)通損耗更大，但48V系統(tǒng)的開關(guān)損耗顯著更高，導(dǎo)致開關(guān)過程中的寄生能量增加。上述情況可能在開關(guān)節(jié)點(diǎn)處引發(fā)更大振鈴幅度，從而惡化EMI性能。
圖4：開關(guān)功率損耗
爬電距離和電氣間隙
為了在48V汽車電氣架構(gòu)中抑制電弧現(xiàn)象，必須嚴(yán)格遵守高于傳統(tǒng)12V系統(tǒng)的先進(jìn)絕緣、機(jī)械和環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。電壓升高會(huì)增加因電場強(qiáng)度增大而產(chǎn)生持續(xù)電弧的風(fēng)險(xiǎn)，電弧溫度可能高達(dá)數(shù)千攝氏度，加速端子、鍍層和連接器外殼的老化。為確保系統(tǒng)可靠性，連接器解決方案必須按照IEC 60664-1及相關(guān)汽車低壓標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，精確設(shè)計(jì)爬電距離和電氣間隙，以防止在正常和污染條件下沿絕緣表面或通過空氣發(fā)生放電。此外，在汽車應(yīng)用中采用48V系統(tǒng)也提高了IC、PCB和其他元件的爬電距離及電氣間隙要求，以防止導(dǎo)體間發(fā)生意外漏電。圖5展示了連接器內(nèi)部的爬電距離和電氣間隙路徑。圖6展示了IC內(nèi)部的爬電距離和電氣間隙路徑。
圖5：連接器爬電距離和電氣間隙
圖6：ADA4530-1的IC爬電距離和電氣間隙
瞬態(tài)過壓與浪涌
在汽車系統(tǒng)中，應(yīng)對(duì)瞬態(tài)過壓與浪涌對(duì)于保護(hù)敏感半導(dǎo)體元件至關(guān)重要。兩項(xiàng)分別針對(duì)12V和24V系統(tǒng)的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，即ISO 7637-2和ISO 16750-2，定義了對(duì)于瞬態(tài)過壓與浪涌的防護(hù)要求。11 圖7展示了ISO 16750-2規(guī)范下施加于12V和24V電源軌的測試脈沖波形。通常采用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)將12V電源軌限制在35V，將24V電源軌限制在58V。
圖7：ISO 16750-2示例
ISO 21780定義了48V電源軌電壓范圍，要求過壓耐受能力達(dá)70V，盡管開關(guān)瞬態(tài)可能超過此水平。圖8展示了電壓范圍，圖9展示了短時(shí)過壓曲線。
圖8：ISO 21780瞬態(tài)電壓
圖9：ISO 21780測試03：拋負(fù)載
結(jié)語
48V系統(tǒng)能夠顯著降低線束重量和成本，并提升整車供電能力，是未來汽車電氣架構(gòu)的重要發(fā)展方向。然而，EMC、電弧抑制、爬電距離設(shè)計(jì)以及瞬態(tài)過壓防護(hù)等挑戰(zhàn)仍需重點(diǎn)關(guān)注。隨著軟件定義汽車和高階自動(dòng)駕駛功能的快速發(fā)展，車企正在積極評(píng)估并規(guī)劃向48V架構(gòu)的轉(zhuǎn)型路徑。
