高邊智能固態(tài)開關(guān)概述

辛建平 張文東

陜西群力電工有限責(zé)任公司 陜西 寶雞 721300

引言

近年來，由于車載電子控制系統(tǒng)和半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，對車載電子控制系統(tǒng)的要求提出更高的要求，汽車生產(chǎn)廠商往往要求車載電子系統(tǒng)能在盡可能小的空間大幅提高其能源效率。目前，車載系統(tǒng)中的半導(dǎo)體器件主要包括微處理器、傳感器、功率半導(dǎo)體等，功率半導(dǎo)體器件主要應(yīng)用在車載系統(tǒng)中的動力控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、燃油噴射、底盤安全等系統(tǒng)中。車載功率半導(dǎo)體器件包含的范圍很寬，從高、低壓MOSFET、到帶有保護(hù)電路和診斷功能的高邊、低邊和橋式開關(guān)、電源調(diào)整集成電路、一直到用于ABS和安全氣囊等安全系統(tǒng)的專用集成電路。高邊固態(tài)開關(guān)是集控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路和功率輸出開關(guān)為一體的高效集成器件，可以提高系統(tǒng)效率，節(jié)約成本，其與微處理器組合在一起，可以驅(qū)動電機(jī)、照明、傳動等各種負(fù)載，并提供必要的保護(hù)功能，在目前的車載控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，可以大大降低系統(tǒng)成本和減少短路危害。

1 高邊智能固態(tài)開關(guān)的工作原理

高邊智能固態(tài)開關(guān)也稱智能固態(tài)繼電器或高邊開關(guān)，其主要由控制電路、驅(qū)動電路、檢測保護(hù)電路、功率器件以及邏輯和外圍接口電路組成。實際應(yīng)用中與高邊功率開關(guān)對應(yīng)的還有低邊功率開關(guān)，高邊和低邊的區(qū)別在于輸出功率MOSFET器件是接在電源端還是GND端，實際應(yīng)用中，高邊和低邊開關(guān)均有各自的優(yōu)缺點，具體選用哪一種方式，就要從系統(tǒng)的驅(qū)動方式、故障診斷類型、失效導(dǎo)致的結(jié)果等進(jìn)行綜合考慮，作出選擇。

1.1 控制電路

高邊固態(tài)開關(guān)控制電路由邏輯電路實現(xiàn)，通過綜合處理檢測信號，輸出相應(yīng)的控制邏輯信號，控制驅(qū)動電路的工作，并且根據(jù)檢測結(jié)果，向外反饋器件的故障原因及開關(guān)狀態(tài)等，比如過溫保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、負(fù)載檢測等開關(guān)狀態(tài)信息。

1.2 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路采用電荷泵電路驅(qū)動功率MOSFET器件，通過電荷泵升壓電路連接MOSFET的柵極，對功率MOSFET的柵極進(jìn)行充放電，控制其接通和關(guān)斷。柵極保護(hù)電路會對充電電壓進(jìn)行保護(hù)，確保柵極電壓不會超出其柵源電壓范圍，避免柵極擊穿，導(dǎo)致功率MOSFET損壞。電荷泵具有電路簡單可靠，電路效率高，低輸出紋波等特點，是功率MOSFET器件驅(qū)動常用的驅(qū)動方式。

1.3 檢測保護(hù)電路

高邊固態(tài)開關(guān)的檢測保護(hù)電路一般包括欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、短路保護(hù)、過溫保護(hù)、負(fù)載開路檢測等等，有些高邊開關(guān)還具有反極性保護(hù)功能，用于在工作電源接反情況下的保護(hù)，避免造成器件失效。欠壓和過壓保護(hù)是對電源電壓的保護(hù)，當(dāng)電源電壓低于或高于器件的保護(hù)值時，輸出關(guān)斷。短路保護(hù)是對輸出功率MOSFET的保護(hù)，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路或電流超出短路動作值，控制電路輸出控制信號切斷驅(qū)動電路，驅(qū)動電路的電荷泵無輸出，功率MOSFET關(guān)斷。

過溫保護(hù)主要也是對輸出功率MOSFET的保護(hù)，因為功率MOSFET是高邊開關(guān)內(nèi)發(fā)熱相對比較高的電路單元，當(dāng)內(nèi)部溫度超出器件設(shè)定溫度時，輸出功率MOSFET被關(guān)斷，內(nèi)部溫度低于器件復(fù)位溫度時，輸出開關(guān)狀態(tài)復(fù)位。負(fù)載開路檢測是高邊固態(tài)開關(guān)外接負(fù)載出現(xiàn)故障時，通過控制電路輸出故障信號[1]。

1.4 功率輸出部分

功率輸出是高邊開關(guān)的核心部分，是控制、驅(qū)動和保護(hù)電路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也是高邊固態(tài)開關(guān)中功耗最大的電路單元，負(fù)責(zé)輸出負(fù)載的接通和關(guān)斷。目前固態(tài)開關(guān)主要采用兩種結(jié)構(gòu)的功率MOSFET器件，即VDMOS和LDMOS，兩種結(jié)構(gòu)的MOSFET各有優(yōu)缺點，但高邊固態(tài)開關(guān)一般采用LDMOS作為輸出功率器件，因為LDMOS更易于與CMOS工藝兼容，利于高邊智能開關(guān)的生產(chǎn)制造。

2 高邊智能固態(tài)開關(guān)的發(fā)展和應(yīng)用

2.1 高邊智能固態(tài)開關(guān)的發(fā)展

高邊智能固態(tài)開關(guān)是基于CMOS工藝在功率型MOSFET基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展而來的。國外一些技術(shù)人員在20世紀(jì)80年代首先開發(fā)出了以LDMOS為核心的智能功率模塊，并集成了驅(qū)動、控制和保護(hù)電路，但是由于當(dāng)時技術(shù)和工藝的瓶頸，產(chǎn)品的功能和指標(biāo)相對比較低。

20世紀(jì)90年代是集成電路和半導(dǎo)體功率器件的飛速發(fā)展時期，無論是技術(shù)水平和工藝制造水平得到了大幅的提升，國外很多知名的大公司都投入到了集成電路和功率器件的開發(fā)。1993年，還屬于西門子半導(dǎo)體事業(yè)部的英飛凌推出了第一代智能型高邊開關(guān)PROFET,該系列產(chǎn)品具有過溫保護(hù)、過壓保護(hù)、負(fù)載突降保護(hù)、短路保護(hù)、反極性保護(hù)、ESD防護(hù)等，有12V和24V兩種電壓系列，工作電流從1A～20A。在隨后的時間內(nèi)，為了滿足車載和工業(yè)電子控制系統(tǒng)的需求，英飛凌公司在第一代智能型高邊開關(guān)PROFET的基礎(chǔ)上，陸陸續(xù)續(xù)推出了第二代、第三代、第四代系列產(chǎn)品，產(chǎn)品的封裝更小，輸出有單通道、雙通道、四通道、八通道，工作電壓有12V、24V、48V系列，工作電流最大到40A，導(dǎo)通電阻從2～200mΩ，產(chǎn)品的功耗更低。英飛凌公司最新的基于SMART7技術(shù)的高邊固態(tài)開關(guān)，采用英飛凌的300mm薄晶圓制造技術(shù)，使器件功耗降低55%，封裝尺寸縮小40%，該系列產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)樹立了最低導(dǎo)通電阻(2mΩ)和最小封裝尺寸（TSDSO-14EP）兩個標(biāo)桿。

在近20年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍式發(fā)展，以及車載電子控制系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)智能化的需求，全球較大的公司，都進(jìn)行了高邊固態(tài)開關(guān)的開發(fā)和推廣，如美國的德州儀器、安森美、威世（并購仙童公司），歐洲的意法半導(dǎo)體、恩智浦，日本的東芝、羅姆等公司都先后推出基于功率MOSFET的集成高邊智能開關(guān)。目前市場上應(yīng)用比較多的主要集中在英飛凌、意法半導(dǎo)體、安森美公司的相關(guān)系列產(chǎn)品上，各大公司的高邊智能開關(guān)產(chǎn)品基于各自的工藝水平和應(yīng)用方向，均有各自的特點。

由于我國電子技術(shù)發(fā)展相對滯后，同時因國外大公司對相關(guān)領(lǐng)域的市場壟斷和技術(shù)封鎖，導(dǎo)致國內(nèi)高邊開固態(tài)開關(guān)的研究起步比較晚。目前各高校和科研院所在進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用推廣，因為半導(dǎo)體設(shè)計技術(shù)和生產(chǎn)制造工藝水平的制約，國內(nèi)廠家還沒有相關(guān)器件的推出。

近年來由于自動駕駛技術(shù)和國內(nèi)新能源汽車的興起，車載電子控制系統(tǒng)對功率器件的可靠性和智能化要求越來越高，這也為高邊智能開關(guān)的發(fā)展提供了有利的契機(jī)。

2.2 高邊智能固態(tài)開關(guān)的應(yīng)用

根據(jù)實際應(yīng)用情況，由于控制負(fù)載的不同和接線方式等因素，高邊固態(tài)開關(guān)主要有正常模式、反流模式和反接模式三種工作模式。

當(dāng)電源供電電壓VBAT高于輸出負(fù)載電壓VOUT時，處于正常工作模式下，電池極性連接正確，且VBAT高于或等于VOUT，因為VBAT≥VOUT，MOSFET寄生二極管反向偏壓，MOSFET不導(dǎo)通，此時高邊固態(tài)開關(guān)斷開，MOSFET沒有電流通過，如果單片機(jī)發(fā)出控制指令接通高邊開關(guān)，電流從電池流經(jīng)MOSFET，然后到達(dá)負(fù)載，負(fù)載執(zhí)行相應(yīng)的動作。

在實際應(yīng)用中，可能出現(xiàn)電池電壓VBAT低于輸出負(fù)載電壓VOUT，反流模式情況的特征是正極供電電壓+VBAT低于輸出負(fù)載電壓VOUT，從而導(dǎo)致電流流向與正常負(fù)載電流流向相反。單純的阻性負(fù)載不會造成反流模式狀況，只有容性或感性負(fù)載才會造成此種情況，反流模式情況通常是瞬時的，主要是由于高邊開關(guān)控制的是電機(jī)或電磁鐵等感性負(fù)載。感性負(fù)載在斷開時，會在電機(jī)或電磁鐵的線圈兩端產(chǎn)生一個較高的反向電壓，這個電壓與線圈的電感量有關(guān)，此時通過MOSFET的寄生二極管形成反向電流通路。反流模式是控制感性負(fù)載所產(chǎn)生的一種電路現(xiàn)象，由于高邊固態(tài)開關(guān)具有抗反向電流指標(biāo)，因此在其可承受的范圍內(nèi)，反向電流流不會對器件造成影響。

更換汽車電池或維護(hù)電子系統(tǒng)時，由于操作人員的疏忽，會出現(xiàn)電池的極性可能接反的情況。雖然電池端子有標(biāo)識或顏色區(qū)分，但反接情況在實際中還是存在的，這種情況很可能損害汽車電子系統(tǒng)。汽車可承受這種反極性的電壓幅值和時間，由各個汽車制造商決定，但必須滿足行業(yè)電子產(chǎn)品的保護(hù)要求。目前市場上的高邊固態(tài)開關(guān)產(chǎn)品有些內(nèi)部集成了反接保護(hù)模塊，如：英飛凌公司基于PROFET+2技術(shù)的新一代高邊智能開關(guān)，內(nèi)部GND端均集成反向保護(hù)二極管。沒有反接保護(hù)功能的高邊固態(tài)開關(guān)在應(yīng)用時，需要增加反接保護(hù)電路，一般采用在GND端串接限流電阻、二極管、小功率MOSFET器件的方法來實現(xiàn)保護(hù)。

目前，高邊開關(guān)在汽車控制系統(tǒng)主要應(yīng)用在電熱絲加熱（如座椅加熱、方向盤加熱、雨刮器加熱、空調(diào)等），電力傳輸（負(fù)責(zé)外設(shè)供電，為攝像機(jī)、車身控制模塊、輔助電源插座、點火繼電器等供電），功率傳輸（為喇叭控制，啟停繼電器線圈、燃油泵等供電）。

汽車電子控制系統(tǒng)中環(huán)境狀況復(fù)雜惡劣，高邊開關(guān)特有的診斷功能和保護(hù)機(jī)制可以提高系統(tǒng)的可靠性，借鑒高邊開關(guān)在汽車電子控制領(lǐng)域的經(jīng)驗，很方便的可將應(yīng)用經(jīng)驗延伸和擴(kuò)展到其他工業(yè)領(lǐng)域，如工業(yè)自動控制、工業(yè)照明及電機(jī)控制等相關(guān)功率控制電路。工業(yè)控制中，單片機(jī)時刻監(jiān)測各個模塊的工作狀態(tài)是很有必要的，特別是涉及安全的模塊，使用智能高邊開關(guān)，可以讓各個模塊實時反饋工作狀態(tài)[2]。

在目前的工業(yè)自動控制系統(tǒng)中，采用單一MOSFET作為輸出端開關(guān)的方式在逐漸減少。帶有自診斷功能的高邊固態(tài)開關(guān)由于集成了過壓、過流、過溫、短路等保護(hù)功能，適用于控制阻性負(fù)載、容性負(fù)載和感性負(fù)載。高邊固態(tài)開關(guān)的狀態(tài)端與單片機(jī)連接后，控制負(fù)載出現(xiàn)諸如短路、過流、過壓、負(fù)載開路等故障時，高邊固態(tài)開關(guān)啟動相應(yīng)的保護(hù)，并且將輸出開關(guān)狀態(tài)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)可根據(jù)反饋信號對系統(tǒng)進(jìn)行分析，避免上述故障對系統(tǒng)造成損害。在較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，利用高邊固態(tài)開關(guān)的診斷功能可以協(xié)助工程人員快速查找故障點，提高工作效率，節(jié)約成本。

3 結(jié)束語

高邊智能固態(tài)開關(guān)器件由于集成多種保護(hù)功能，加之其采用先進(jìn)的集成電路制造工藝和封裝技術(shù)，使得其封裝體積更小，輸出功率更高，功耗更低，因此在車載電子控制系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文對目前在車載電子控制系統(tǒng)中應(yīng)用的高邊智能固態(tài)開關(guān)的工作原理、發(fā)展過程和現(xiàn)狀，及應(yīng)用方向進(jìn)行了介紹，雖然內(nèi)容不夠完整和系統(tǒng)，但是希望能夠起到拋磚引玉的作用，為高邊智能固態(tài)開關(guān)器件在國內(nèi)的發(fā)展盡綿薄之力。