關(guān)于高邊功率開關(guān)的性能分析和應(yīng)用介紹

汽車中半導(dǎo)體器件主要是三大類：傳感器，MCU和功率半導(dǎo)體。其中，功率半導(dǎo)體主要運(yùn)用在動(dòng)力控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、燃油噴射、底盤安全等系統(tǒng)當(dāng)中。并且，隨著汽車電動(dòng)化、智能化、舒適化趨勢(shì)帶來(lái)汽車中單機(jī)功率半導(dǎo)體價(jià)值量提升，共同驅(qū)動(dòng)汽車對(duì)功率半導(dǎo)體的需求，未來(lái)3~5年增速約為8%。

汽車功率半導(dǎo)體涵蓋的范圍很寬，從高、低壓MOSFET、到帶有集成保護(hù)電路和診斷功能的高邊、低邊和橋式開關(guān)、電源調(diào)整IC，一直到用于ABS和安全氣囊等安全系統(tǒng)的高集成ASIC。

汽車制造商希望車載電子系統(tǒng)能在盡可能小的空間大幅提高能源效率。高邊開關(guān)是模擬電路和強(qiáng)勁的負(fù)載/輸出驅(qū)動(dòng)器的高效集成，能夠提高系統(tǒng)效率，節(jié)約成本，他們于微控制器在一起為各種負(fù)載如馬達(dá)，照明，傳動(dòng)器等等提供必要的保護(hù)和控制。

約25年前，市面上出現(xiàn)首款PROFET產(chǎn)品(PROtected mosFET，保護(hù)型MOSFET)，意味各種不同汽車車體應(yīng)用的繼電器與保險(xiǎn)絲，終于出現(xiàn)替代選擇。

英飛凌智能高邊開關(guān)家族產(chǎn)品—PROFET，在全球車廠得到了廣泛應(yīng)用。讓我們來(lái)以其為例，解析一下智能高邊開關(guān)的特性、應(yīng)用場(chǎng)合、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作模式。

1.什么是PROFET？

PROFET = PROtected mosFET， 帶保護(hù)功能的MOS管。它是英飛凌的高度集成高邊開關(guān)家族，具有廣泛的智能特性，包括復(fù)雜診斷和保護(hù)能力。大電流的 PROFET 功率開關(guān)包含了一個(gè) DMOS 功率 MOSFET 和 CMOS 邏輯電路。

2.PROFET可以用于哪些應(yīng)用？

它，專為嚴(yán)苛汽車環(huán)境下控制所有負(fù)載類型包括阻性負(fù)載，感性負(fù)載及容性負(fù)載而設(shè)計(jì)。這些開關(guān)的保護(hù)范圍極廣，如過(guò)載，過(guò)溫，所有類型的汽車和工業(yè)應(yīng)用中的短路情況。

3.在應(yīng)用中如何決定是否需要高邊開關(guān)？

在典型的汽車系統(tǒng)中，由一個(gè)單一的電源電壓 Vbb (也叫 VBATTERY 或 VBAT)組成電源網(wǎng)絡(luò)。如圖所示，有五種可能的汽車開關(guān)配置方案可以接通或斷開電氣負(fù)載。

高邊開關(guān)在其中的多個(gè)汽車開關(guān)配置中扮演著重要角色。這些高邊開關(guān)因各種原因在世界范圍內(nèi)應(yīng)用于汽車領(lǐng)域：負(fù)載驅(qū)動(dòng)，診斷性能，減緩短路故障對(duì)系統(tǒng)影響的能力，以及相對(duì)較低的系統(tǒng)成本。

4.PROFET高邊開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PROFET高邊開關(guān)是如何完成負(fù)載驅(qū)動(dòng)以及診斷功能的呢？

讓我們來(lái)看一下高度圖形化的PROFET高邊開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

高邊開關(guān)上的 IS 引腳是模擬電流檢測(cè)信號(hào)，可被電子控制單元（ECU)內(nèi)的微處理器監(jiān)測(cè)。電流檢測(cè)信號(hào)值與負(fù)載電流 IL 成比例。電流檢測(cè)在高邊開關(guān)內(nèi)部執(zhí)行，在故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行診斷和保護(hù)，高邊電流檢測(cè)用于保護(hù)負(fù)載和線束，診斷負(fù)載以確保合理操作，且測(cè)量輸出電流以控制輸出功率。

5.高邊開關(guān)有哪些操作模式？要注意些什么？

在汽車領(lǐng)域，當(dāng)電源供電電壓 Vbb 高于輸出負(fù)載電壓 VOUT 時(shí)，即為正常操作模式。某些臨時(shí)狀況可能導(dǎo)致電源電壓低于輸出負(fù)載電壓，此為反流模式或反向電流狀況。另外（如更換電池或助推啟動(dòng)時(shí)），電池的極性可能反向，此為反接模式或反接電池電極狀況。

a.正常模式

正常操作模式下，電池電極方向連接正確,且電池電壓 Vbb 高于或等于輸出負(fù)載電壓 VOUT。

因?yàn)?Vbb ≥ VOUT，MOSFET 本征二極管反向偏壓,因此不導(dǎo)通。此時(shí)，如果微處理器斷開高邊開關(guān),沒(méi)有電流經(jīng)MOSFET 流向任何方向。如果微處理器閉合高邊開關(guān)，電流則從電池流經(jīng)(傳統(tǒng)意義上)MOSFET,然后到達(dá)負(fù)載。

b.反流模式

有些情況下,根據(jù)被控制的負(fù)載類型和特定應(yīng)用,瞬時(shí)狀況可能造成電池電壓 Vbb 低于輸出負(fù)載電壓 VOUT，此即為反流模式或反向電流狀況。

反流模式狀況的特征是正極供電電壓+Vbb 低于輸出負(fù)載電壓 VOUT 從而導(dǎo)致負(fù)載電流–IL 流向與正常負(fù)載電流流向相反。

單純的阻性負(fù)載不會(huì)造成反流模式狀況。只有容性負(fù)載或感性負(fù)載才會(huì)造成此種情況。同時(shí)注意反流模式情況是瞬間的。

以下可造成反流模式情況: 高邊開關(guān)正在控制的負(fù)載可作為一個(gè)發(fā)電機(jī)操作。典型此類負(fù)載是感應(yīng)電機(jī)。Vbb 瞬間下降時(shí),電機(jī)在這個(gè)瞬間期間作為發(fā)電機(jī),從而提供的電壓比電池電壓高。

c. 反接模式

更換汽車電池或者維護(hù)汽車電子系統(tǒng)，需要斷開電池并重新連接電池。重新接上電池時(shí)，電池的兩極可能裝反，此即被稱之為反接模式或反接電池兩極狀況。

雖然當(dāng)今汽車電池端子有標(biāo)志且有顏色編碼，但反接模式狀況還是存在。一個(gè)可能導(dǎo)致反接模式狀況發(fā)生的情況就是當(dāng)試圖助推啟動(dòng)汽車時(shí)，錯(cuò)誤連接跨接電纜兩極。反接電池情況很可能損害汽車電子系統(tǒng)。這意味著必須阻止電子控制單元（ECUs）發(fā)生反接模式狀況。一個(gè)非常典型的工業(yè)應(yīng)用要求就是在 25 度溫度下，ECU 可承受-14V 的反接模式狀況一分鐘。