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本系列文章將介紹安森美(onsemi)高邊SmartFET的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念，可作為了解該器件在特定應(yīng)用中如何工作的指南。范圍僅限于具有模擬電流檢測(cè)輸出的SmartFET。本系列文章將分為四部分，此為第一部分，將介紹應(yīng)用詳情以及功率FET和保護(hù)，詳細(xì)介紹功率元件（垂直功率FET）的物理結(jié)構(gòu)以及利用功率FET所采用的不同技術(shù)。其中還會(huì)介紹該器件中集成的保護(hù)特性，這些特性可在系統(tǒng)故障情況下保護(hù)器件本身。

本文在解釋某些概念時(shí)還提供了具體的例子和數(shù)值計(jì)算。需要注意的是，除非另有說明，否則這些示例中提到的值只應(yīng)被視為典型值，而非對(duì)器件性能邊界的定義。對(duì)于所有額定最大值，應(yīng)參考相應(yīng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表。此外，本文中的任何布局或電路模塊圖示都是示例，并不一定代表實(shí)際芯片或特定器件的真實(shí)電路原理圖。另外，波形進(jìn)行了理想化處理，以解釋特定場(chǎng)景下器件輸入/輸出的行為。

應(yīng)用系統(tǒng)概述

任何器件的設(shè)計(jì)流程都始于對(duì)目標(biāo)應(yīng)用環(huán)境的整體理解，然后圍繞應(yīng)用所需的性能創(chuàng)建規(guī)范?？紤]到與應(yīng)用的密切交互以及（器件性能）對(duì)外部條件的復(fù)雜依賴關(guān)系，必須采用系統(tǒng)級(jí)方法作為設(shè)計(jì)指南。因此，在討論器件細(xì)節(jié)之前，必須了解應(yīng)用環(huán)境、典型負(fù)載的行為及其與高邊開關(guān)的相互作用。

智能高邊開關(guān)——?jiǎng)訖C(jī)

高邊 SmartFET 的“最終要求”是切換負(fù)載，針對(duì)此要求，市場(chǎng)上有多種不同的替代方案。例如，繼電器長(zhǎng)期用來切換各種汽車負(fù)載，尤其是那些需要大電流激活的負(fù)載。隨著汽車部件和組件的重量和尺寸不斷減小，從繼電器過渡到半導(dǎo)體開關(guān)的趨勢(shì)已經(jīng)很明顯；與繼電器相比，半導(dǎo)體開關(guān)占用的面積更小，抗擾度更好，電磁干擾更低。

p-n 結(jié)二極管是一種易于使用的半導(dǎo)體開關(guān)，可以滿足開關(guān)的基本要求。然而，功耗和高導(dǎo)通損耗使其無(wú)法成為現(xiàn)代汽車環(huán)境中的可行替代方案，因?yàn)楝F(xiàn)代汽車環(huán)境對(duì)提高效率和降低系統(tǒng)損耗具有非常激進(jìn)的目標(biāo)要求。此外，在切換期間，導(dǎo)電元件的雙極性質(zhì)涉及少數(shù)載流子的注入和提取，這會(huì)限制應(yīng)用的速度。SCR（可控硅整流器）和三端雙向可控硅開關(guān)等器件也面臨類似的挑戰(zhàn)。雙極性晶體管具有高輸出電流驅(qū)動(dòng)能力和較低的導(dǎo)通損耗（相比二極管），但需要輸入電流驅(qū)動(dòng)，這使得其不適合用作開關(guān)元件。然而，半導(dǎo)體行業(yè)廣泛使用它們來生成帶隙和調(diào)節(jié)電壓。需要以合理的高輸出電流驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高壓擊穿的應(yīng)用，例如燃料點(diǎn)火，通常采用 IGBT 作為開關(guān)元件。IGBT 的輸出級(jí)是雙極性的，因此像任何 p-n 結(jié)一樣，少數(shù)載流子提取會(huì)限制導(dǎo)通/關(guān)斷速率?？紤]到以上討論的所有性能指標(biāo)，F(xiàn)ET 是最有可能用于切換汽車負(fù)載且應(yīng)用最廣泛的候選器件。輸入易于驅(qū)動(dòng)、高輸入阻抗、快速開關(guān)和寬 SOA（安全工作區(qū)）這些特性有助于實(shí)現(xiàn)理想的開關(guān)性能。

圖1：高邊開關(guān)與低邊開關(guān)在應(yīng)用中的對(duì)比

圖1描繪了用于切換應(yīng)用負(fù)載的許多拓?fù)渲械膬煞N。使用高邊開關(guān)時(shí)，負(fù)載始終連接到地，切換的是與電源的連接；使用低邊開關(guān)時(shí)，負(fù)載始終連接到電源，切換的是與GND的連接。開關(guān)通常封裝在控制單元或ECU內(nèi)。負(fù)載線路是將負(fù)載連接到ECU上的引腳連接器的線纜。根據(jù)負(fù)載類型及其在車輛中的位置，此負(fù)載線路可能相當(dāng)長(zhǎng)，導(dǎo)致底盤接地短路的可能性加大；對(duì)于低邊配置中的負(fù)載來說，這可能是一種壓力很大的狀況。因此，高邊開關(guān)是負(fù)載切換的優(yōu)先選擇。此外，在系統(tǒng)中存在到GND的寄生阻抗路徑的情況下（如后面部分所述，溫度和濕度會(huì)隨著時(shí)間推移而產(chǎn)生泄漏電阻），電源始終連接到負(fù)載的低邊配置中的漏電流水平更高。隨著電荷泵設(shè)計(jì)和技術(shù)的進(jìn)步，將電荷泵與功率元件集成相對(duì)方便，使得N溝道FET能夠以較小芯片尺寸用于高邊配置。

有些應(yīng)用還使用H橋開關(guān)配置來驅(qū)動(dòng)雙向負(fù)載，例如車門鎖定/解鎖電機(jī)。H橋使用兩對(duì)高邊和低邊開關(guān)，如下圖所示：

圖 2：H橋開關(guān)配置

隨著應(yīng)用復(fù)雜性不斷提高（為了向用戶提供更多功能），系統(tǒng)發(fā)生故障的概率也在增加。這要求開關(guān)在超出預(yù)定狀態(tài)的情況下進(jìn)行自我保護(hù)，而超出預(yù)定狀態(tài)最有可能的原因是存在系統(tǒng)故障狀況（如輸出至 GND 短路）。從成本角度來看，為開關(guān)增添智能可消除更換成本（在某些安全關(guān)鍵型應(yīng)用中，如果某個(gè)器件失效，整個(gè)模塊都需要更換），并在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)降低系統(tǒng)成本。為功率 FET 添加控制和邏輯特性時(shí)，在器件設(shè)計(jì)階段必須謹(jǐn)慎行事，以確保模塊可靠性達(dá)到要求。

高邊 SmartFET 解決方案

安森美高邊 SmartFET 以單片或雙芯片解決方案提供。圖 3 以虛線矩形突出顯示了 SmartFET 的兩個(gè)部分——控制電路（由模擬控制、數(shù)字控制和電荷泵組成）和電源部分（由功率 DMOS 以及用于溫度和電流檢測(cè)的檢測(cè)元件組成）。在單片解決方案中，顧名思義，這兩個(gè)部分集成在同一基板上，而在雙芯片解決方案中，這兩個(gè)部分是在兩個(gè)不同的基板上實(shí)現(xiàn)，并通過芯片間鍵合連接。兩個(gè)芯片的相對(duì)方向和集成度取決于所需的封裝尺寸和器件的長(zhǎng)期可靠性。單片與雙芯片技術(shù)部分詳細(xì)介紹了這些解決方案及其優(yōu)缺點(diǎn)。

圖 3：框圖中突出顯示了功率 FET 和控制部分

在功率 FET 部分中，用于垂直 DMOS 的技術(shù)有平面和溝槽柵疊層兩種可選（參見平面 FET 與溝槽 FET 部分）。特定器件的解決方案選擇主要由給定封裝的目標(biāo)歸一化導(dǎo)通狀態(tài)電阻決定（對(duì)于給定硅片面積，溝槽 FET 的導(dǎo)通狀態(tài)電阻一般比平面 FET 要低），同時(shí)要考慮其他因素，包括但不限于所需的輸出電流驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)能力以及芯片的熱響應(yīng)（有關(guān)熱行為的詳細(xì)信息，參見了解熱網(wǎng)絡(luò)部分）。此外，在確定用于給定器件的技術(shù)之前，還要考慮可制造性和工藝成本。安森美高邊 SmartFET 的設(shè)計(jì)考慮是，性能參數(shù)、保護(hù)和診斷特性組合以及應(yīng)用中期望的操作不受底層技術(shù)的影響。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是，一些高邊 SmartFET 配備了保險(xiǎn)絲陣列形式的一次性可編程微調(diào)單元 (OTP)，在生產(chǎn)線末端對(duì)其進(jìn)行編程。在“微調(diào)”過程中，首先評(píng)估“未調(diào)整”器件的性能。然后，根據(jù)與所需規(guī)格的偏差，這些微調(diào)單元（或保險(xiǎn)絲）用作控制邏輯的輸入，控制邏輯隨后改變硅片性能，使其與規(guī)格嚴(yán)密一致。實(shí)施這樣的序列可以改進(jìn)時(shí)序和保護(hù)參數(shù)的容差，例如短路電流限值、開關(guān)時(shí)間等；降低器件間的變異性；并提供更大的設(shè)計(jì)靈活性。芯片上實(shí)現(xiàn)的微調(diào)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了所需的可靠性應(yīng)力測(cè)試，以確保符合終生工作標(biāo)準(zhǔn)。具有微調(diào)功能的器件只能在生產(chǎn)線末端編程；出于安全考慮，客戶不能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行編程。本文檔將針對(duì)特定模塊和參數(shù)單獨(dú)討論微調(diào)對(duì)產(chǎn)品性能的影響。

應(yīng)用環(huán)境和負(fù)載

與工業(yè)、消費(fèi)電子等其他應(yīng)用相比，汽車應(yīng)用環(huán)境有很大不同，其要求通常更嚴(yán)格。AEC-Q100 等標(biāo)準(zhǔn)要求汽車開關(guān)在（溫度、壓力、濕度等）極端環(huán)境變化下至少達(dá)到質(zhì)量、可靠性和強(qiáng)固性方面的最低標(biāo)準(zhǔn)。

例如，切換燈泡負(fù)載的場(chǎng)景。如本部分后面所述，白熾燈在開啟時(shí)需要一個(gè)浪涌電流，該電流高于額定驅(qū)動(dòng)電流。本例中的燈泡負(fù)載是 H4 型前照燈，其額定功率為 55 W，額定電壓為 12.8 V。環(huán)境溫度約為 300 K（27°C）時(shí)，所需的浪涌電流約為 75 A。汽車環(huán)境中的電纜可能很長(zhǎng)，因此線纜電阻可能相當(dāng)大。對(duì)于 20 mΩ 的線纜阻抗，浪涌會(huì)導(dǎo)致線纜上出現(xiàn)約 1.5 V 電壓降并持續(xù)幾毫秒（直到燈泡充分開啟）。此外，汽車環(huán)境中與電源的典型連接是通過保護(hù)繼電器和保險(xiǎn)絲（位于接線盒內(nèi)）進(jìn)行切換。這些也可能對(duì)浪涌呈現(xiàn)阻抗，限制高邊開關(guān)操作可用的電壓擺幅。假設(shè)（在這種假設(shè)情況下）此壓降約為 1V。除了電源線中的損耗外，GND 線也有損耗。在汽車環(huán)境中，為了保護(hù)目的，模塊通過阻性網(wǎng)絡(luò)連接到底盤 GND。該網(wǎng)絡(luò)會(huì)增加損耗，本例中平均約為 1V。這意味著，對(duì)于前照燈開啟這樣很容易觀察到的情況，汽車應(yīng)用中的損耗很容易導(dǎo)致標(biāo)稱 V_BATT = 14 V 的電源電壓下降 20~25%。高邊開關(guān)應(yīng)該能夠在電池電壓降低的情況下工作。應(yīng)注意的是，這方面的“操作”包括完全開啟的電荷泵、浪涌期間的限流保護(hù)（如果需要）以及完整的診斷特性組合。現(xiàn)在考慮在寒冷的環(huán)境溫度下打開燈泡。在低溫下，電池電壓會(huì)進(jìn)一步下降，而燈點(diǎn)亮所需的浪涌電流會(huì)提高——這兩個(gè)因素使得開關(guān)操作需要面對(duì)嚴(yán)苛的環(huán)境。安森美所有高邊 SmartFET 正常工作的電壓通?？傻椭?8 V，某些器件還要求一個(gè)最低 4.5 V 的擴(kuò)展電池電壓（有關(guān)低壓工作，請(qǐng)參見特定產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表）?！扒穳翰僮鳌辈糠置枋隽?LV124 規(guī)格和欠壓行為。

雖然以上討論更多地側(cè)重于電池電壓的下降，但在汽車應(yīng)用中偶爾也能觀察到電源電壓的瞬態(tài)過沖，尤其是在用跨接引線發(fā)動(dòng)汽車或交流發(fā)電機(jī)甩負(fù)載等情況下（詳見“過壓保護(hù)”部分）。高邊開關(guān)應(yīng)能保護(hù)自身免受此類事件的影響。如果負(fù)載在 PWM 操作中重復(fù)切換，例如再次考慮燈泡負(fù)載，其光強(qiáng)度由 PWM 驅(qū)動(dòng)器控制，那么控制器應(yīng)調(diào)制燈泡兩端的 RMS 電壓（通過調(diào)制 PWM 占空比），使光強(qiáng)度波動(dòng)最小化。汽車環(huán)境的另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是系統(tǒng)的 EMI 性能。隨著現(xiàn)代汽車應(yīng)用中電子器件的不斷增加，每個(gè)元器件的設(shè)計(jì)都應(yīng)保證符合所需的 EMI/EMC 標(biāo)準(zhǔn)，并將應(yīng)用內(nèi)外的交叉耦合噪聲降至最低。

因此，除了損耗之外，高邊 SmartFET 的開關(guān)特性還應(yīng)考慮 EMI 影響。在多通道器件中，通道之間不應(yīng)有干擾，尤其是當(dāng)一個(gè)通道讀取故障狀態(tài)時(shí)。

如前所述，汽車應(yīng)用中的底盤被視為系統(tǒng) GND，高邊開關(guān)應(yīng)足夠強(qiáng)固，以便應(yīng)對(duì)輸出至 GND 短路的情況（高邊應(yīng)用中極有可能出現(xiàn)這種系統(tǒng)故障）并保護(hù)自身。這通常是通過限制負(fù)載電流并在器件中整合熱關(guān)斷功能實(shí)現(xiàn)的。AEC-Q100-012描述了典型的汽車短路條件組合，并量化了器件在短路事件中的性能（以周期數(shù)表示）。

上述計(jì)算和損耗估計(jì)是示例性的，不應(yīng)認(rèn)為其代表汽車通用條件組合。一般而言，線纜尺寸（及相關(guān)損耗）、電源配電保險(xiǎn)絲/繼電器規(guī)格、接地連接等都取決于 OEM，在應(yīng)用中選擇高邊開關(guān)時(shí)應(yīng)參考 OEM 規(guī)格。

阻性負(fù)載

汽車應(yīng)用中的典型阻性負(fù)載包括（但不限于）LED、座椅中的加熱元件、變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、安全氣囊引爆管、氣流傳感器等。LED（發(fā)光二極管）是電流控制的負(fù)載，換句話說，其光輸出與驅(qū)動(dòng)電流或輸入電能成正比。LED 的工作原理與任何二極管的工作原理非常相似，不同之處在于制造所采用的半導(dǎo)體材料，LED 材料在電子激發(fā)下發(fā)射光子（光的量子），而不是聲子（機(jī)械振動(dòng)的量子，如硅二極管中）。顏色輸出主要取決于原料的能帶隙。

輸入驅(qū)動(dòng)電路通過 LED 負(fù)載上的電流調(diào)節(jié)或電壓調(diào)節(jié)來控制。電流通常通過并聯(lián)堆疊多個(gè) LED 陣列（在一個(gè)模塊內(nèi)）并增加一個(gè)與陣列串聯(lián)的限流電阻來限制。另一方面，電壓調(diào)節(jié)通常通過 DC-DC 轉(zhuǎn)換級(jí)來實(shí)現(xiàn)，該轉(zhuǎn)換級(jí)可降低開啟陣列所需的電壓。圖 4 描繪了由高邊 SmartFET 驅(qū)動(dòng)的并聯(lián) LED 集群。每個(gè)陣列有 n 個(gè)串聯(lián) LED。R_PROTECT 限制流過集群的電流。如果一個(gè) LED 出現(xiàn)故障并顯示開路（如圖 4 中以紅色突出顯示的 LED），其他陣列仍會(huì)工作并導(dǎo)通。然而，流經(jīng)負(fù)載模塊的電流會(huì)發(fā)生變化，高邊 SmartFET 應(yīng)能通過模擬電流檢測(cè)輸出來指示這種變化。典型汽車 LED 負(fù)載是以幾毫安培的低電流水平驅(qū)動(dòng)（參見圖 5），因此要精確反映電流的微小變化，并據(jù)此診斷特定 LED 燈串的開路是很困難的。如下面“電流檢測(cè)和診斷”部分中討論的，在小負(fù)載電流下，電流檢測(cè)精度會(huì)降低；安森美高邊 SmartFET 實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)計(jì)方案來提高檢測(cè)精度（參見輕載時(shí)的電流檢測(cè)去飽和部分）。

圖 4：驅(qū)動(dòng)并聯(lián)集群 LED 陣列的高邊開關(guān)

大多數(shù)汽車應(yīng)用采用 PWM 驅(qū)動(dòng)方案來調(diào)制輸出光的強(qiáng)度，高邊開關(guān)的開關(guān)特性應(yīng)與應(yīng)用的 PWM 要求兼容。阻性切換提供了關(guān)于 LED 開關(guān)的詳細(xì)信息。

在車輛的內(nèi)部和外部照明應(yīng)用中，LED 已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的白熾燈光源。高能效（電能以一定比例轉(zhuǎn)化為光）、更好的光輸出（輸出光更具方向性/各向異性，而燈泡具有漫射輸出光譜）、易于驅(qū)動(dòng)（LED 需要的輸入功率通常很低，驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性非常低）、更長(zhǎng)的工作壽命（LED 不含燈絲或任何可能隨著時(shí)間推移而疲勞的內(nèi)部元件），是推動(dòng) OEM 將 LED 負(fù)載作為汽車照明可行替代方案的主要?jiǎng)訖C(jī)。當(dāng)然，仍有幾個(gè)缺點(diǎn)需要解決，例如，實(shí)現(xiàn)高效熱管理的初始成本和難度很高（尤其是對(duì)于前照燈這樣的應(yīng)用）。圖 5 總結(jié)了典型的汽車 LED 應(yīng)用及其驅(qū)動(dòng)要求。

圖 5：采用 LED 的典型汽車應(yīng)用

電感負(fù)載

電感負(fù)載主要包括雨刷、啟動(dòng)器、車門模塊、HVAC、噴油器、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、油門控制等應(yīng)用中的各種電機(jī)，另外還有用于發(fā)動(dòng)機(jī)和車身控制應(yīng)用的繼電器。驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載時(shí)，首要考慮是在電感開始放電時(shí)限制輸出電壓的大小。為此，安森美的所有高邊 SmartFET 都集成了保護(hù)箝位。有源箝位的機(jī)制在電感切換部分解釋。電感負(fù)載的另一個(gè)問題是高邊 SmartFET 的感應(yīng)放電能量能力。產(chǎn)品數(shù)據(jù)表給出了一系列電感在規(guī)定的起始環(huán)境溫度下的單脈沖和重復(fù)脈沖能量能力（參見電感切換部分中描述高邊開關(guān)能量耗散的方程）。超過額定能量可能會(huì)不可逆地?fù)p壞器件。一旦輸入命令轉(zhuǎn)為觸發(fā)電感反激，保護(hù)特性就不會(huì)激活。

為了保護(hù)器件不受感應(yīng)放電期間的高能量轉(zhuǎn)移的影響，有些應(yīng)用采用續(xù)流二極管和外部箝位。圖 6 顯示了兩個(gè)這樣的選項(xiàng)，它們位于紅色虛線矩形內(nèi)。由于所有電感負(fù)載都有相關(guān)的寄生電阻，因此圖中描繪了串聯(lián) L-R 負(fù)載。在負(fù)載上并聯(lián)時(shí)，電感放電的可用電壓只是二極管壓降，這可能會(huì)導(dǎo)致放電時(shí)間很長(zhǎng)。第二個(gè)選項(xiàng)中的箝位電壓將取決于外部二極管的擊穿電壓（其應(yīng)低于器件內(nèi)集成箝位的擊穿電壓）。在這兩種情況下，二極管應(yīng)能處理感應(yīng)放電所釋放的功率。實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)時(shí)，可能需要額外的元器件來防止電池反向?qū)ā⑦^壓情況等。

圖 6：驅(qū)動(dòng)并聯(lián)集群 LED 陣列的高邊開關(guān)

應(yīng)當(dāng)注意，上述箝位方案僅供參考，也可使用其他帶外部箝位的電路配置。然而，在采用這些拓?fù)渲?，?yīng)詳細(xì)計(jì)算外部元器件的功率處理能力，分析電池反向和過壓情況下的保護(hù)，并估計(jì)相關(guān)的漏電流水平。

燈泡負(fù)載

白熾燈泡在工作原理上與“阻性負(fù)載”部分中討論的 LED 光源非常不同。燈泡由鎢絲和玻璃外殼組成，外殼內(nèi)填充氬或氙等惰性氣體。接觸導(dǎo)線攜帶電流進(jìn)出燈絲，燈絲由用于提供機(jī)械支撐和外殼的支架和燈帽支撐。當(dāng)電流通過鎢絲時(shí)，燈絲的溫度升高，最終變得灼熱，從而發(fā)光。大部分輸入的電能轉(zhuǎn)化為熱量，其余的轉(zhuǎn)化為光。白熾燈的光轉(zhuǎn)換效率低于 LED、CFL 等其他光源。然而，低制造成本和各種的額定功率使其成為當(dāng)今汽車應(yīng)用中使用最廣泛的光源。

燈泡的電氣行為是容性的，開始時(shí)需要大電流以加熱燈絲，隨后電流逐漸衰減到運(yùn)行所需的額定電流。這種初始大電流被稱為燈泡浪涌。“冷”燈泡（術(shù)語(yǔ)“冷”描述初始開啟或浪涌）的電阻低于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電阻。穩(wěn)態(tài)電阻取決于所需的最終燈絲溫度（對(duì)于大多數(shù)燈泡，所需的燈絲溫度為 2900~3200 K）。燈泡的閉環(huán)電熱操作說明如下：當(dāng)應(yīng)用電壓源時(shí)，通過燈泡的電流取決于燈絲的動(dòng)態(tài)電阻率（它是溫度的函數(shù)）。燈絲的瞬時(shí)溫度取決于其熱阻（以及觸點(diǎn)的熱阻）和輸入功率（而輸入功率又取決于瞬時(shí)電流），因此它是一個(gè)迭代模型。有多種模型利用查找表或經(jīng)驗(yàn)公式來預(yù)測(cè)這種閉環(huán)電阻率曲線。

通常，車燈規(guī)定標(biāo)稱電壓下的額定功率。燈絲的標(biāo)稱電阻可計(jì)算如下：

（公式1）

其中，V_NOM 和 V_PNOM 分別為額定電壓和功率?；诮?jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)電阻可以作為瞬時(shí)溫度的函數(shù)來估計(jì)，其中要用到“浪涌系數(shù)”：

（公式2）

T 是燈絲瞬時(shí)溫度，T_REF 是所需的燈絲溫度，“const ”是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。公式2 中乘數(shù)的后一部分為浪涌系數(shù)的倒數(shù)。假設(shè)已知燈泡兩端的穩(wěn)定電壓，那么可以使用動(dòng)態(tài)電阻曲線來模擬浪涌電流曲線。

下圖 7 列出了廣泛使用白熾燈泡的應(yīng)用以及燈泡的額定功率。

圖 7：采用白熾燈泡的典型汽車應(yīng)用

根據(jù)應(yīng)用燈泡所需的浪涌曲線，了解高邊開關(guān)的輸出電流驅(qū)動(dòng)能力至關(guān)重要。安森美高邊 SmartFET 具備限流特性，可在過載情況下保護(hù)自身（參見 OUT 至 GND 短路——限流部分）。由于熱關(guān)斷機(jī)制（參見溫度/功率限制部分），在電流限值下長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)迫使器件反復(fù)關(guān)斷和接通。雖然在系統(tǒng)發(fā)生故障情況下（如輸出至 GND 短路）需要這種保護(hù)來限制瞬時(shí)熱應(yīng)力，但如果燈泡開啟所需的浪涌電流大于內(nèi)部電流限值，則燈泡開啟特性會(huì)受到影響。在這種情況下，器件嘗試?yán)弥卦嚥呗蚤_啟燈泡（參見重試策略部分）。圖8和圖9中的理想化波形集描述了使用和不使用重試策略兩種情況下的燈泡開啟場(chǎng)景。

圖 8：使用重試策略的燈泡開啟

圖 9：不使用重試策略的燈泡開啟

參考以上波形，t_{Bulb_ON} 是開啟燈泡所需的時(shí)間——在大多數(shù)情況下，它是瞬時(shí)電流降至約 0.5*峰值浪涌電流的時(shí)間間隔。此參數(shù)的規(guī)格取決于 OEM。在有內(nèi)部限流的情況下，t_{Bulb_ON}隨著器件進(jìn)入和退出差分熱關(guān)斷而增加。I_LIM 周期上的均方根電流和最后一次重試開始時(shí)的相應(yīng)功率，應(yīng)產(chǎn)生與 t_{Bulb_ON} 時(shí)間后無(wú)重試的情況相同的（燈泡）電熱阻曲線。為應(yīng)用選擇器件時(shí)，應(yīng)考慮最差情況下的t_{Bulb_ON}（通常在低環(huán)境溫度的情況下，可用電池電壓較低時(shí)需要高浪涌電流）應(yīng)在OEM定義的限值內(nèi)。圖10列出了某些標(biāo)準(zhǔn)汽車燈泡負(fù)載的實(shí)測(cè)最大浪涌電流。測(cè)量通過以下方法進(jìn)行：在燈泡兩端施加一個(gè)約12.8V的穩(wěn)定差分電壓（為了獲得精確的浪涌曲線，燈泡兩端的電壓應(yīng)穩(wěn)定，測(cè)量系統(tǒng)中的任何寄生電阻壓降都可能降低浪涌電流，因?yàn)榭捎糜陂_啟燈泡的電壓降低了）。最大浪涌電流取決于燈泡的電氣規(guī)格（主要是功率瓦數(shù)）和物理結(jié)構(gòu)。注入燈泡的功率以燈絲上的導(dǎo)通功率和輻射功率的形式被消耗。燈泡的物理結(jié)構(gòu)決定功率的分配，因此也會(huì)影響瞬時(shí)溫度和浪涌曲線。

圖 10：典型汽車燈泡的實(shí)測(cè)最大浪涌電流（電壓約 12.8 V）

應(yīng)注意的是，實(shí)測(cè)燈泡浪涌電流只是典型值，并不代表燈泡性能變化的極端情況。此外，燈泡制造商不同，其浪涌電流曲線可能不同。器件建議（針對(duì)特定燈泡）可按客戶請(qǐng)求提供。

繼電器和保險(xiǎn)絲替代方案

在所有汽車應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率，減小組件重量和尺寸顯然是一個(gè)重點(diǎn)。此外，隨著車輛的全面電氣化，用固態(tài)解決方案取代現(xiàn)有開關(guān)和保護(hù)組件的需求越來越強(qiáng)烈。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，安森美推出了多種旨在取代應(yīng)用繼電器的高邊 SmartFET（繼電器通常更重，并占用 PCB 上相當(dāng)大的面積）。關(guān)于具體的合適應(yīng)用，建議參考產(chǎn)品數(shù)據(jù)表。此外還有超低歐姆器件（例如，典型 R_DS(ON) 在 0.5~3 mΩ 之間），它們旨在取代保護(hù)保險(xiǎn)絲，提供電子保險(xiǎn)絲解決方案。智能高邊開關(guān)創(chuàng)建了一個(gè)具有故障報(bào)告功能的閉環(huán)保護(hù)方案，集成保護(hù)特性可防止電子保險(xiǎn)絲受損，從而降低與保險(xiǎn)絲相關(guān)的更換成本（在車輛壽命期間）。

雖然取代繼電器和保險(xiǎn)絲的 SmartFET 解決方案使用了該產(chǎn)品系列提供的一組標(biāo)準(zhǔn)特性，但有一些關(guān)鍵應(yīng)用要求將這些 SmartFET 的設(shè)計(jì)方法與那些切換其他常規(guī)負(fù)載（如照明或阻性元件等）的設(shè)計(jì)方法區(qū)分開來。這些差異化要求的幾個(gè)實(shí)例包括：接地短路情況下重試策略的差異、電流檢測(cè)比規(guī)格、工作溫度范圍、輸出通道數(shù)量、反向電池保護(hù)、壓擺率等。其中的大部分要求將在本文的相應(yīng)部分中單獨(dú)討論，以強(qiáng)調(diào)隨著市場(chǎng)動(dòng)力逐漸轉(zhuǎn)向基于智能開關(guān)的配電，設(shè)計(jì)也需要與時(shí)俱進(jìn)。

功能安全概述

隨著智能開關(guān)出現(xiàn)在 SRS（二次約束系統(tǒng)，包括安全氣囊、預(yù)張緊器和制動(dòng)）、配電和輸電等更注重安全的應(yīng)用中，適當(dāng)考慮并遵守功能安全標(biāo)準(zhǔn)變得比以往任何時(shí)候都更加重要。ISO26262 等標(biāo)準(zhǔn)闡明了設(shè)計(jì)人員在符合標(biāo)準(zhǔn)所述安全功能的同時(shí)整合各種特性的方法。應(yīng)注意的是，這些標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)和應(yīng)用是最近的事情，這使得整個(gè)行業(yè)的半導(dǎo)體制造商很難在事后重新設(shè)計(jì)其產(chǎn)品。為了解決這一困境，安森美以開放式 FMEDA 的形式提供產(chǎn)品特定（根據(jù)客戶要求）的故障模式分布分析、設(shè)計(jì)和封裝特定的 FIT 率，以及逐一的模塊對(duì)安全功能影響的分析。此外，這些 FIT 率是基于多種標(biāo)準(zhǔn)提供的，如 IEC 62380、SN29500 等，因?yàn)椴煌蛻艨赡懿捎貌煌臉?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。這些信息有助于客戶設(shè)計(jì)內(nèi)置必要故障保護(hù)機(jī)制的系統(tǒng)，以滿足安全關(guān)鍵型應(yīng)用的需要，使系統(tǒng)根據(jù)期望的任務(wù)曲線在預(yù)期壽命內(nèi)安全運(yùn)行。關(guān)于具體的功能安全要求，建議聯(lián)系相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)代表。

功率 FET 和保護(hù) 功率 MOSFET

本部分介紹功率元件或 DMOS 的結(jié)構(gòu)和不同拓?fù)?。高邊器件中的功率元件由大量垂?N 溝道 FET 單元組成，這些單元并聯(lián)布置，漏極作為基板，以改善漏極區(qū)域的熱擴(kuò)散并降低熱密度。功率 FET 的理想設(shè)計(jì)和面積考量對(duì)于確定關(guān)鍵電氣性能指標(biāo)至關(guān)重要，這些指標(biāo)包括但不限于 R_DS(ON)、最大電流能力、擊穿電壓、電流檢測(cè)、溫度檢測(cè)等。基于技術(shù)、參數(shù)要求和幾何約束，安森美高邊 SmartFET 可以采用“平面”或“溝槽”配置。下面說明這兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

平面 FET 與溝槽 FET

如上所述，垂直功率元件可以是平面結(jié)構(gòu)，也可以是溝槽結(jié)構(gòu)。術(shù)語(yǔ)“平面”和“溝槽”指的是柵疊層結(jié)構(gòu)，它由多晶硅柵極、底層氧化物和溝道組成。前一種設(shè)計(jì)具有平面或橫向柵極和溝道，溝道導(dǎo)通接近表面，而后一種設(shè)計(jì)具有進(jìn)入主體深度的垂直柵極和溝道（詳見圖 11 a) 和圖 11 b)）。

圖 11：描繪柵極、溝道和載流子流的示例性布局：

a) 平面 FET，b) 溝槽 FET

常規(guī)或平面 FET 熱效率高且易于制造，“掩模步驟”少，而溝槽 FET 提供更緊湊的單元間距（故比導(dǎo)通電阻 RDS(ON) 更好），在給定芯片面積內(nèi)可封裝更多單元。下表總結(jié)了這兩種設(shè)計(jì)的主要區(qū)別，根據(jù)具體特性將性能區(qū)分為 Hi（良好）或 Lo（中等）。

表 1：平面與溝槽垂直功率 FET 的性能比較

單片高邊器件的功率元件（垂直 N-FET）和控制電路在同一基板/原料 Si 上制造。另一方面，術(shù)語(yǔ)“雙芯片”是指在同一封裝內(nèi)有兩個(gè)單獨(dú)的芯片，分別用于功率 FET 和控制器。單片設(shè)計(jì)使得 FET 和控制器之間的失配和偏移最?。蝗欢?，如果比 R_DS(ON) 足夠低，并且控制電路很復(fù)雜，包括模擬和數(shù)字部分，那么在給定封裝尺寸內(nèi)單片集成兩個(gè)元件（FET 和控制器）是頗具挑戰(zhàn)性的。這就需要利用芯片疊加 (chip-on-chip) 等技術(shù)來優(yōu)化“封裝空間”。此外，控制電路需要通過隔離結(jié)構(gòu)與 FET 完全隔離。下圖（圖 12）是單片高邊器件的示例?？刂破骱凸β?FET 以及各種檢測(cè)元件（溫度檢測(cè)、電流檢測(cè)）的焊盤也顯示在下圖中。

圖 12：?jiǎn)纹哌?SmartFET 設(shè)計(jì)示意圖

還應(yīng)考慮的是，雖然大多數(shù)高邊 SmartFET 控制電路基于 CMOS 邏輯，但要在單片配置中集成背側(cè)漏極技術(shù)，并將 CMOS 基板與背側(cè)漏極隔離，必然是很困難的。

雙芯片技術(shù)通過芯片間鍵合管理 FET 和控制電路之間的相互作用，這需要額外的前端掩蔽、用于鍵合的犧牲芯片面積以及后端組裝和加工步驟。由于這兩種元件的原料硅不同，因此雙芯片技術(shù)器件存在一些固有的工藝不匹配。圖 13 是此類技術(shù)的大體示意圖。

圖 13：雙芯片高邊 SmartFET 設(shè)計(jì)示意圖

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于特定產(chǎn)品系列，很容易換用不同尺寸和 R_DS(ON) 的 FET，同時(shí)保持與控制器的兼容性。

根據(jù)應(yīng)用要求和細(xì)分產(chǎn)品系列，安森美高邊 SmartFET 可以采用任何一種技術(shù)制造。

多通道器件

某些應(yīng)用需要多通道器件來操作并行負(fù)載（參見應(yīng)用系統(tǒng)概述部分）。此類器件需要具有多個(gè)參數(shù)和行為性能完全相同的獨(dú)立功率 N-FET。每個(gè)功率 FET 或“通道”都有自己獨(dú)立的檢測(cè)元件，而診斷通常是多路復(fù)用的。這些器件的一個(gè)挑戰(zhàn)是隔離兩個(gè)通道的操作，尤其是在其中一個(gè)通道處于故障狀態(tài)的情況下。例如，下面的圖 14 所示的電路原理圖詳細(xì)展示了雙通道高邊器件中的不同模塊。

圖 14：雙通道高邊 SmartFET 電路框圖示例

電荷泵——工作原理

高效的電荷泵設(shè)計(jì)對(duì)于高邊 FET 實(shí)現(xiàn)期望性能至關(guān)重要。為確保 FET 在（輸出特性曲線的）RDS(ON) 區(qū)域完全開啟，柵極電位需要升壓到電池（漏極電位）之上，以便為 N-FET 提供足夠的過驅(qū)動(dòng)。顧名思義，電荷泵本質(zhì)上充當(dāng)此升壓電路，并確保 R_DS(ON) 對(duì)于給定芯片面積是最大的。雖然嚴(yán)格來說，電荷泵是控制電路的組成部分，但由于其特性與功率 FET 的性能直接相關(guān)，因此它在本部分進(jìn)行討論。

除了產(chǎn)生足夠的柵極電荷外，高效的電荷泵還必須提供穩(wěn)定的柵極驅(qū)動(dòng)和平滑的開啟與關(guān)斷特性，并且應(yīng)在最小芯片面積上實(shí)現(xiàn)。典型電荷泵網(wǎng)絡(luò)采用多級(jí)開關(guān)電容升壓網(wǎng)絡(luò)，但這不是產(chǎn)生高電壓的唯一方法。

圖 15 為電荷泵工作原理的示意框圖。根據(jù)輸入控制電路的命令，振蕩器產(chǎn)生一組“去相 (De-Phased)”輸出信號(hào)，這些信號(hào)隨后饋入升壓網(wǎng)絡(luò)中，如右圖所示。這些信號(hào)控制開關(guān)并為電容梯充電。相位差導(dǎo)致該網(wǎng)絡(luò)的輸出端積累電荷/產(chǎn)生高電壓。

圖 15：電荷泵——工作原理框圖

一旦器件閉合至完全導(dǎo)通狀態(tài)，便可調(diào)節(jié)電荷泵輸出，通過拉回升壓器來確保沒有柵極電壓過沖。這可能會(huì)延長(zhǎng)實(shí)現(xiàn) R_DS(On) 所要求的滿量程?hào)艠O過驅(qū)所需的時(shí)間，但會(huì)提高柵極控制穩(wěn)定性并減少過沖。

某些器件中的振蕩器頻率是在生產(chǎn)過程中進(jìn)行調(diào)整的，這樣可確保同類產(chǎn)品圍繞數(shù)據(jù)表中規(guī)定的標(biāo)稱開關(guān)時(shí)間的容差很小。不同的技術(shù)（在安森美高邊 SmartFET 產(chǎn)品組合中）可能有也可能沒有內(nèi)部穩(wěn)壓器。根據(jù)所需的柵極電位，升壓級(jí)可以級(jí)聯(lián)，以使每一級(jí)的電荷倍增。

內(nèi)部展頻與振蕩器一起使用，以抑制振蕩器產(chǎn)生的任何頻譜能量尖峰，并確保 EMI 性能良好。應(yīng)注意的是，器件的開關(guān)速度還取決于電荷泵提升柵極電壓的速率以及柵極“卸除負(fù)載”的速度。雖然快速電荷泵響應(yīng)是值得追求的，但其設(shè)計(jì)不應(yīng)違反 EMI 要求。

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