应对汽车行业快速变革的区域架构与解决方案

区域架构降低了汽车制造的复杂性与成本

区域架构的兴起旨在，尤其是在电动汽车兴起的背景下，低压配电和车载网络技术取得了显着进步。分布式区域配电简化了线束，从而减轻了重量、降低了制造复杂性与成本。

向软件定义车辆（SDV）的转变促使汽车制造商不断创新，将受保护的半导体开关集成到区域控制器中。电子熔丝（eFuse）和智能场效应晶体管（SmartFET）通过保护负载、传感器和执行器，提高了功能安全性和故障功能恢复能力。与传统的域架构不同，区域架构集中了控制和计算，将软件从各个电子控制单元（ECU）转移到功能强大的中央计算机，这为下游电子控制和配电提供了更高的灵活性。

车载以太网对于软件定义车辆至关重要，它能够处理来自摄像头和激光雷达（LiDAR）等传感器的大量数据，并确保区域控制器和中央计算机之间的实时数据传输，中央计算机则负责处理传感器数据并做出决策。随着计算需求的持续增长，这一基础设施对于未来的自动驾驶汽车至关重要。

现代汽车从传统架构过渡到区域架构

随着现代汽车日益复杂，电源分配（PD）和车载网络的两大趋势正在塑造区域架构，通过电源分配的变化，来简化当前汽车电气架构的设计。电源分配正从集中式电源分配演变为区域式（分布式）电源分配，后者依赖于新型半导体保护器件（例如eFuse和SmartFET）来提高功能安全性。由于数据量巨大，车辆网络则越来越依赖于车载以太网骨干网。

在199x年代的汽车传统架构采用集中式电源分配，电源直接输送至各个电子控制单元（ECU），分布式控制和软件驻留在ECU中。到了201x年代则多采用域架构，是带有域控制器的半分布式电源分配。

汽车的电子复杂性日益增加，并变得至关重要，电源不再直接输送至ECU，而是输送至域控制器。域控制器按功能分组，可分成像是电源、底盘、信息娱乐等。为了维持这种架构并增加更多ECU，连接所有设备的线束变得过长且过重。保护措施则依赖于一个或多个保险丝盒，以及可能基于域的本地保险丝。

随着汽车电子器件数量的增长，电源分配变得日益复杂，线束设计面临的挑战也显着增加。传统的线束连接方式，即连接电源、底盘、信息娱乐、车身和舒适性等相似功能，已不再高效灵活。汽车行业正从集中式电源分配转向更加分散的区域式方案。许多传统上分散在车内的电子控制单元（ECU）可以被区域控制器（ZCU）所取代。

单个电源分配单元（PDU）作为电源分配树的初级层级，PDU连接到车辆的低压（LV）电池，或者连接到高压-低压直流-直流转换器（HV-LV DC-DC转换器）的输出端，该转换器将高压（HV）电池的电压降低。PDU通过大电流保险丝提供初级保护，并智能地将电源分配到车辆内的每个区域，从而确保高效可靠的电源管理。ZCU进一步分配电源并管理各自区域内的电气器件，显着降低了线束的重量和复杂性。

ZCU还可以作为车辆的数据和网络网关，依赖于车载以太网。它们通过100/1000BASE-T1以太网骨干网与中央计算机进行上游通信，摄像头、传感器、激光雷达等边缘节点的下游通信则基于10BASE-T1S以太网。传统的ECU可以通过CAN、LIN和FlexRay等传统总线与ZCU保持连接。

在2025年之后，则朝向区域架构发展，车辆被划分为四个区域，由区域控制单元（ZCU）进行管理。电源分配单元（PDU）向每个区域分配电力，ZCU则进一步管理第二级配电树。这种分布式模型增加了冗余性，每个ZCU分配电力并管理按位置分组的电气器件。受保护的半导体开关（例如电子熔丝和智能场效应晶体管）通过保护负载、传感器和执行器，增强了功能安全性和故障功能应对能力。

区域化架构推动软件定义车辆的发展

在传统的车辆架构中，软件主要驻留在各个电子控制单元（ECU）内。然而，区域化架构改变了这一现状，它将软件从ECU中分离出来，并将控制和计算集中在一个功能强大的中央计算机中。这种转变对于高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶至关重要，因为它们需要处理来自摄像头、雷达和激光雷达传感器的大量数据，这些传感器每秒可以产生数兆比特的数据。汽车以太网成为软件定义车辆硬件基础设施中的网络骨干，高效地在区域控制单元（ZCU）和中央计算机之间传输实时数据。

空中软件（OAS）更新则是软件定义车辆的另一项重大进步。过去，车辆软件更新很少见，而且需要前往汽车经销商处进行。通常情况下，车辆交付后，ECU软件就不会再进行更新。但在智能手机和即时下载盛行的时代，定期前往经销商处进行更新已不再可行。如今，车辆可以连接到云端并自动更新，通常在夜间完成，第二天早上即可享受新功能和改进，无需任何不便。区域化方案凭借其集中式计算优势，简化了更新流程。

10BASE-T1S是单双绞线以太网的最新发展之一，专为汽车应用而设计。10BASE-T1S（符合IEEE 802.3cg标准）满足了汽车对高速、高带宽和确定性实时通信网络的需求。多点拓扑结构是汽车应用的关键变革，因为它允许多个节点通过单根非屏蔽双绞线连接到主机控制器。此外，车载以太网的可扩展性和灵活性使其能够轻松集成新功能和技术。这些复杂且数据密集型的应用包括高级驾驶辅助系统（ADAS）、信息娱乐系统、实时诊断和其他关键器件。

全面支持区域架构的半导体产品组合

安森美能够提供全面的半导体产品组合，以支持区域架构的转型，关键器件包括低压／中压MOSFET和安森美的新型PowerTrench T10 MOSFET。安森美先进的SmartFET和eFuse保护型电源开关取代了传统的保险丝，提供可复位保护并增强安全性。10BASE-T1S以太网收发器支持多点拓扑、PLCA等多种创新功能，从而实现车辆联网。

区域控制器（ZCU）是区域车辆架构中的基本器件，负责管理其指定区域内的电源分配。ZCU可以集成多个关键器件，例如SmartFET、eFuse和分立式MOSFET。此外，ZCU还支持高速通信网络，可利用NCV7410和T30HM1TS2500等10BASE-T1S以太网收发器。这些收发器实现了ZCU与中央计算机或其他车辆系统之间的高效数据通信。

NCV7410是一款符合IEEE 802.3cg标准的10BASE-T1S以太网收发器，集成了媒体访问控制器（MAC-PHY）。它支持在共享介质（多点）网络上运行，单对双绞线（UTP/STP）连接距离可达25米。NCV7410提供从模式下的SPI接口，可实现与标准主机MCU或SoC的低引脚连接，它可以与连接到共享介质（UTP）的多个节点以10 Mbps的速率进行通信。

多点拓扑或许是汽车以太网领域最具变革性的技术，它为现代车辆网络在区域架构中提供了一种经济、可扩展且高效的解决方案。多个设备（节点）连接到同一根双绞线，形成类似总线的结构。这类似于CAN等早期技术，但具备以太网功能。新的区域架构简化了复杂的基于域的布线，使其更易于管理和维护。

该标准至少支持八个节点，但根据具体实现和线缆长度，可以连接更多节点。现代车辆需要高度的灵活性，而10BASE-T1S允许轻松添加新节点，无需进行大规模的重新布线。此外，通过物理层冲突避免（PLCA）机制，可为每个节点分配特定的时隙来传输数据，从而确保避免数据冲突。

NCV7410实现了PLCA 优先模式这项独特的功能，PLCA ID较低的号码优先于号码较高的号码，这提供了类似于CAN的仲裁机制，一旦任何站点发送信号，协调器（即头节点）就会发送一个新的信标。

T30HM1TS2500（T2500）则是一款先进的10BASE-T1S以太网收发器，集成了媒体访问控制器（MAC-PHY）。它是基于全新Treo平台（BCD65）设计的下一代10BASE-T1S器件，它能够以10 Mbps的速率与连接到共享介质（UTP）的多个节点进行通信。

T2500采用CSMA/CD MAC和PHY架构，并具备物理层冲突避免（PLCA）功能。PLCA可防止物理层冲突，从而提高CSMA/CD的吞吐量。T2500使用SPI（时钟频率高达25 MHz）作为与更高层连接的接口。

与NCV7410相比，T2500支持更多功能，例如拓扑发现（符合TC14标准），可测量节点间的距离，还有睡眠／唤醒（符合TC10标准）配置功能，睡眠模式下功耗极低（35 µA）。此外，时间戳（符合TC6标准），可实现精确的时间同步，并可直接连接电池（VBAT引脚），最高电压可达48 V，更多功能集成于更小巧紧凑的4 x 4 mm QFNW20封装中。

针对10/100/1000BASE-T1S以太网的ESD保护，安森美的SZESD9901和SZESD9902旨在保护敏感的汽车电子组件免受静电放电（ESD）、浪涌和其他有害瞬态事件的影响。这些器件符合OPEN Alliance 10/100/1000 BASE-T1以太网和其他高速数据网络标准。这些器件适用于收发器PHY连接器侧的双向ESD保护，可支持≥ 100 V的高触发电压功能，更高的触发电压可消除差分信号失真钳位。

结语

面对汽车产业的加速变革，区域架构已成为未来车辆电子电气系统演进的核心方向。通过将传统分散的控制单元集成至区域控制器，不仅能显著降低线束重量与成本，还能提升系统的可扩展性与维护效率。结合高速以太网、集中计算平台以及智能软件架构，车厂得以更灵活地应对电动化、智能驾驶与车联网等技术挑战。本文所介绍的安森美解决方案将可协助车厂实现区域架构的设计，成为推动汽车产业迈向智能化与低碳化新时代的关键解决方案。