利用智能電源器件開關(guān)突破簡單解決方案的局限性

作者： Bill Schweber

“簡單易行”是眾所周知的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和良好的工程實(shí)踐。畢竟，添加的組件越多，出錯或出現(xiàn)意外的可能性就越大。此外，還會對材料清單 (BOM) 產(chǎn)生明顯的影響。

盡管如此，每一條準(zhǔn)則都有很多合理的例外情況。尤其是當(dāng)你希望設(shè)計(jì)一款堅(jiān)固耐用、“刀槍不入”的產(chǎn)品，能夠同時在正常和極端環(huán)境下工作，承受可預(yù)見和不可避免的壓力時，更是如此。為了提高完整性，你可能還希望減少對系統(tǒng)微控制器單元 (MCU) 處理破壞性事件的依賴，轉(zhuǎn)而依靠更快、更可靠的內(nèi)置硬件，盡量少用或不用軟件。

我們來考慮一下基于 MOSFET 的電源開關(guān)，這種器件已廣泛用于汽車和其他應(yīng)用中，取代了傳統(tǒng)的機(jī)電式繼電器。數(shù)十種這類固態(tài)開關(guān)為發(fā)動機(jī)、變速箱、照明、制動、布線和懸掛控制機(jī)構(gòu)的電源軌提供簡單的開/關(guān)控制。這類半導(dǎo)體開關(guān)的使用壽命超過一百萬次，而且與機(jī)電繼電器不同，在惡劣的汽車環(huán)境中不易因接觸摩擦、老化、氣體或碳化物而導(dǎo)致觸頭失效。

從概念上講，制造一般的“接通/斷開”式開關(guān)非常簡單。但是，這些基于 MOSFET 的開關(guān)在啟動或正常運(yùn)行期間切換高能量電路時，可能會因短路和瞬態(tài)而發(fā)生故障。因此，必須在開關(guān)周圍安裝各種具有保護(hù)作用的能量吸收元件，使其成為更精密的設(shè)備。這些新增元件可以安裝在 MOSFET 開關(guān)外部或其封裝內(nèi)，從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐豢罨镜?a href="http://ttokpm.com/v/" target="_blank">智能功率器件 (IPD) 開關(guān)（圖 1）。

圖 1：簡單的 MOSFET 可用作電源開關(guān)（左圖），但缺乏能量吸收元件（右圖）來保護(hù)其免受現(xiàn)實(shí)際中不可避免的瞬態(tài)和短路的影響。（圖片來源：ROHM Semiconductor，作者修改過）

不止于此

除了在電源開關(guān)周圍使用合適的元件外，還有更多的保護(hù)措施。幾乎所有載流軌都需要保護(hù)，以防止過大電流損壞電源開關(guān)或其負(fù)載電路。這些過流事件通常由負(fù)載內(nèi)部故障造成。

你可能會認(rèn)為過流保護(hù)的解決方案很簡單，而且眾所周知：只需在電源軌上安裝一個基本的熱熔式保險(xiǎn)絲即可。如果出現(xiàn)過流，保險(xiǎn)絲熔斷，從而完全切斷破壞性電流的流動。

保險(xiǎn)絲解決方案固然有效，但在某些方面，就顯得矯枉過正。一旦保險(xiǎn)絲熔斷，系統(tǒng) MCU 既無法了解負(fù)載模塊的情況，也無法對其進(jìn)行管理。

因此，許多關(guān)鍵電路還采用了電流監(jiān)控功能。這樣，MCU 就能讀取過流檢測 IC 檢測到的錯誤信號，并根據(jù)情況的細(xì)微差別向 IPD 開關(guān)發(fā)送信號，啟動關(guān)機(jī)或重復(fù)關(guān)機(jī)/重啟操作。

然而，這可能會導(dǎo)致電路運(yùn)行不穩(wěn)定或其他故障。相比之下，[ROHM Semiconductor] 的 [AECQ-100 系列]中先進(jìn)的 IPD 開關(guān)可提供保護(hù)，而無需介入 MCU。這些獲得了汽車認(rèn)證 (AEC-Q100) 的器件提供單通道和雙通道配置的低壓側(cè)或高壓側(cè)開關(guān)。該系列可采用多種 8 引腳封裝，支持多種電壓和電流電平。

例如，[BD1HD500FVM-CTR]是一款單通道高壓側(cè)開關(guān)，導(dǎo)通電阻 (R DS(ON) ) 為 500 mΩ ，限流值為 1.45 A，采用 8 引線 MSOP 封裝。相比之下，單通道 [BV1LB025EFJ-CE2]是低壓側(cè)開關(guān)，RDS(ON) 為 45 mΩ ，限流值為 13 A，采用 HSSOP-C16 封裝。

AECQ-100 系列 IPD 開關(guān)可在保護(hù)發(fā)揮作用期間提供最小電流電平，因此如果電路產(chǎn)生錯誤信號，仍可繼續(xù)工作。這樣，在電路運(yùn)行過程中出現(xiàn)非致命性異常時，就有可能發(fā)出緊急“呼叫”。

此外，這些先進(jìn)的 IPD 開關(guān)還能防止電路停電。如果由于老化而導(dǎo)致機(jī)械負(fù)載增加，造成電流消耗水平上升時，就會發(fā)生停電。由于無需通過 MCU 即可獨(dú)立運(yùn)行，因此不僅減少了該功能所需的元件數(shù)量，而且提高了可靠性（圖 2）。

圖 2：使用標(biāo)準(zhǔn) IPD 開關(guān)時，關(guān)斷是唯一的選擇。但是，ROHM IPD 開關(guān)支持浪涌電流保護(hù)以及之后的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。（圖片來源：rohm semiconductor）

保險(xiǎn)絲還有另一個考慮因素。具有明確工作裕度的標(biāo)準(zhǔn)保險(xiǎn)絲，可防止在系統(tǒng)或模塊上電階段因較大浪涌電流而導(dǎo)致電源意外切斷（圖 3，上部）。然而，這種緩沖或“遮蔽”會干擾所需的極限設(shè)置。

相比之下，ROHM 的 IPD 開關(guān)可以防止浪涌電流，無需遮蔽。（圖 3，底部）

圖 3：傳統(tǒng)的熱保險(xiǎn)絲有一個模糊區(qū)域，用于遮蔽和阻止由于浪涌電流而造成的意外啟動（上圖），而 ROHM IPD 開關(guān)則具有更復(fù)雜的閾值和限制（下圖）。（圖片來源：rohm semiconductor）

因此，即使在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間出現(xiàn)微小的電流異常，也能進(jìn)行高精度檢測。同時，由于仍可向負(fù)載模塊提供最小電流，而不是在異常發(fā)生后立即將其關(guān)閉，因此系統(tǒng) MCU 仍可嘗試訪問該模塊進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，同時檢測運(yùn)行期間的異常情況。

縱觀全局

使用輔以各種保護(hù)元件和功能的功率器件是實(shí)施有效電源軌管理的必要步驟，但這樣還不夠，尤其是在惡劣的汽車環(huán)境中。在過流情況下，還需要更多的保護(hù)和靈活性。

結(jié)束語

簡單易行是一個值得追求的設(shè)計(jì)目標(biāo)，但現(xiàn)實(shí)中各種考慮因素及其微妙之處往往意味著，在實(shí)際應(yīng)用中，增加一點(diǎn)復(fù)雜性是一種謹(jǐn)慎和更好的方法。通過使用 ROHM AECQ-100 系列的 IPD 開關(guān)，可以用較少的元件實(shí)現(xiàn)固態(tài)電源設(shè)備的可靠性、靈活性和優(yōu)勢，同時獲得保險(xiǎn)絲無法提供的識別和保護(hù)功能。

審核編輯 黃宇