【導讀】隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)發(fā)展，電動(dòng)化，輕量化與智能化需求帶動(dòng)了車(chē)規級高邊驅動(dòng)（High-side Driver, HSD）在車(chē)身負載驅動(dòng)中的大規模應用。
深入淺出——了解高邊驅動(dòng)在汽車(chē)應用中的挑戰
隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)發(fā)展，電動(dòng)化，輕量化與智能化需求帶動(dòng)了車(chē)規級高邊驅動(dòng)（High-side Driver, HSD）在車(chē)身負載驅動(dòng)中的大規模應用。
在汽車(chē)應用領(lǐng)域，高邊驅動(dòng)主要用于對車(chē)燈、閥門(mén)、泵、電機等負載的驅動(dòng)與開(kāi)關(guān)，并監控負載在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的短路和開(kāi)路，電流和電壓等情況，對負載進(jìn)行保護和診斷，同時(shí)，高邊驅動(dòng)集成鉗位關(guān)斷功能，為開(kāi)關(guān)能量的處理能力提供了支持，不需要續流電流再循環(huán)路徑，從而降低設計難度，降低電池能耗，節省系統成本。
目前關(guān)于高邊驅動(dòng)，汽車(chē)行業(yè)主要關(guān)注其驅動(dòng)阻性、容性與感性等負載時(shí)的特性。
三大負載類(lèi)型中，最單純的是阻性負載（如 PTC、座椅加熱）。其負載特性比較穩定，考驗高邊驅動(dòng)的導通內阻。高邊驅動(dòng)器的內阻越低，它所能帶的阻性負載越大、額定電流越高。
容性負載在啟動(dòng)時(shí)會(huì )產(chǎn)生較大的浪涌電流。以鹵素燈負載為例，通常車(chē)燈負載特性和浪涌電流由 IDC，IINRUSH 和 tLAMP?ON 三個(gè)參數描述。IDC 定義了穩定狀態(tài)時(shí)的消耗電流，IINRUSH 是初始浪涌電流，同時(shí)，時(shí)間常數 tLAMP?ON 描述了達到穩定狀態(tài)的轉變時(shí)間。一般認為 IINRUSH 是 IDC 的 10 倍。當驅動(dòng)電流降至小于 IINRUSH 一半時(shí)，車(chē)燈達到打開(kāi)狀態(tài)，這段時(shí)間定義為 tLAMP?ON。如果高邊驅動(dòng)存在因為浪涌電流導致的短路保護和開(kāi)啟重試，則 tLAMP?ON 定義為從開(kāi)始到最后一次開(kāi)啟重試所需時(shí)間。在車(chē)燈設計中應該確保 tLAMP?ON 不超過(guò) 30ms[1]。浪涌電流主要受燈絲溫度影響，最差情況基本發(fā)生在 -40℃，典型情況是在環(huán)境溫度（+25℃）。而實(shí)際工作電流往往遠小于浪涌電流，所以針對容性負載的限流保護設計是一個(gè)挑戰。
最復雜的是感性負載。汽車(chē)電子系統中常見(jiàn)感性負載主要有：變速箱控制模塊（TCU）應用中的執行器，如電機、電磁閥等；車(chē)身控制模塊（BCM）中的執行器，如雨刮、繼電器、風(fēng)機、水泵、油泵等，同樣表現為感性特點(diǎn)。高邊驅動(dòng)在應對感性負載關(guān)斷時(shí)，需要通過(guò)續流保護維持感性負載電流流向不變，但如果負載兩端的電壓極性突然翻轉，高邊驅動(dòng)輸出端將瞬間產(chǎn)生數百伏負電壓。由于關(guān)斷負壓幅度大小與感性負載中退磁能量成正相關(guān)，高邊驅動(dòng)內部的 MOSFET DS 端將承受巨大反向電壓，如果未采取任何鉗位措施，MOSFET 將面臨被損毀的風(fēng)險[2]。與此同時(shí)，瞬間關(guān)斷產(chǎn)生的退磁耗散能量是否在高壓側器件承受范圍內，也決定著(zhù)退磁關(guān)斷是否會(huì )燒毀高邊驅動(dòng)。
那么為了應對這些負載驅動(dòng)時(shí)的挑戰，一顆好的高邊驅動(dòng)芯片需要具備哪些特點(diǎn)呢？通常，汽車(chē)應用除了正常的開(kāi)關(guān)和驅動(dòng)能力，還主要從保護功能和負載診斷進(jìn)行評估。典型評估項目如表 1 所示。
表 1 高邊驅動(dòng)典型評估項目
實(shí)現上述開(kāi)關(guān)驅動(dòng)、功能保護和故障診斷功能就是一顆完善的車(chē)規級高邊驅動(dòng)芯片了嗎？
汽車(chē)應用系統的運行環(huán)境復雜又惡劣，若要確保汽車(chē)芯片長(cháng)時(shí)間無(wú)故障運行，設計系統時(shí)就要考慮所有的緊急和極端情況。包括拋負載、冷啟動(dòng)、蓄電池極性反接、短路到地、失地、失電、雙蓄電池跨接、尖峰鉗位以及極端工作溫度等。同時(shí)，車(chē)規級芯片要求使用壽命更長(cháng)。大部分芯片隨著(zhù)汽車(chē)落地要保持 10 年以上安全可靠的工作。另外，容錯率要求也更高，對于 DPPM（每百萬(wàn)缺陷中的不良品數），消費級芯片要求不超過(guò) 500 個(gè)缺陷，而車(chē)規級則要控制到不超過(guò) 10 個(gè)缺陷。
汽車(chē)用器件在投入量產(chǎn)前，往往要經(jīng)過(guò)一系列嚴格的可靠性測試，以確保產(chǎn)品可靠性達到車(chē)規要求。目前，業(yè)界常用的汽車(chē)系統認證標準有功能安全標準 ISO 26262、質(zhì)量管理體系認證 IATF16949、可靠性標準 AEC-Q 系列認證等[3]。常見(jiàn)汽車(chē)整車(chē)系統及芯片 EMC 檢測如表 2 所示[4]。
表 2 整車(chē) EMC 測試及標準
可見(jiàn)，車(chē)規級高邊驅動(dòng)芯片為應對汽車(chē)應用中惡劣環(huán)境的挑戰，不僅要集開(kāi)關(guān)驅動(dòng)、功能保護和故障診斷等諸多功能于一體，還必須符合上述各類(lèi)標準認證。所以，一顆車(chē)規級芯片要比工業(yè)級、消費級芯片更結實(shí)，更可靠。
做車(chē)規芯片，先把車(chē)規放心里
圣邦微電子推出的高邊驅動(dòng) SGM42202Q/3Q 系列產(chǎn)品具備 4.5V 至 36V 寬電壓輸入范圍，75mΩ 低導通內阻，22A 最高限流值，并且可根據應用需求配置多檔限流臺階（2.5A/5A/10A/15A/22A），內置過(guò)流屏蔽時(shí)間設置引腳。器件采用單芯片實(shí)現，在汽車(chē) BCM 模塊、ECU 單元等系統得到廣泛應用。
SGM42203Q 的低導通內阻和可調節限流檔位特性，可以開(kāi)關(guān)驅動(dòng)汽車(chē)系統中多種阻性負載；通過(guò)改變外置電容器和電阻器常數可以自由調整浪涌電流的保護時(shí)間和穩態(tài)電流限流設定值的特性，可在汽車(chē)系統中用于調節從瞬態(tài)電流到穩態(tài)電流的時(shí)間，從而更快啟動(dòng)車(chē)燈等容性負載。
如圖 1、圖 2 所示，高邊驅動(dòng)集成了 60V 鉗位電路，相較于使用續流二極管鉗位關(guān)斷，60V 鉗位電壓極大地縮短了退磁關(guān)斷時(shí)間 tDEMAG。在某些應用如：噴油器驅動(dòng)、PWM 控制閥等，對關(guān)閉時(shí)間有嚴格要求時(shí)，也可以輕松應對；如圖 3、圖 4 所示，面對 300mH 電感負載驅動(dòng)關(guān)斷時(shí)，測量得出 VCLAMP 電壓為 60V，關(guān)斷退磁時(shí)間 tDEMAG 為 9.2ms，根據工程近似計算公式（1）可算出退磁能量 EAS 為 276mJ，而 SGM42203Q 實(shí)際關(guān)斷測量得到退磁能量 EAS 為 262.5mJ，與理論值近似。這也為驅動(dòng)感性負載時(shí)提供一定的退磁耗散能力，驅動(dòng)關(guān)斷耗散能量在高邊驅動(dòng)承受范圍之內的負載時(shí)，不需要增加成本設計外部鉗位。
通過(guò)多功能 CS 引腳，SGM42203Q 集成了診斷和電流檢測輸出功能，不僅能在工作時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)電流采樣，還能在觸發(fā)故障時(shí)及時(shí)輸出 VSENSEH 高電平報錯，并通知控制單元。
實(shí)現基本的保護功能只是第一步，圣邦對于車(chē)規級高邊驅動(dòng)芯片的要求遠不止于此。
1：汽車(chē) EMI/EMC 測試標準 ISO7637-2
由于經(jīng)常要在高溫、振動(dòng)等條件下工作，汽車(chē)電氣系統的環(huán)境非常復雜和惡劣，可能經(jīng)常發(fā)生電氣系統故障，如交流發(fā)電機過(guò)電壓，連接系統斷路等。為了驗證沿電源的瞬態(tài)傳導干擾對高邊驅動(dòng)的影響，圣邦依照 ISO 7637-2 標準，測試了 SGM42203Q 在 12V 和 24V 電池系統供電下空載/帶負載等不同組合情況的表現。圖 5 至圖 10 分別顯示了 SGM42203Q 在模擬 P1 負脈沖、P2a 正脈沖、P3a 負脈沖、P3b 正脈沖、P4 反向電壓和 P5b 拋負載脈沖時(shí)，高邊驅動(dòng)開(kāi)關(guān)功能均表現正常。
2：BCI 大電流注入干擾的評估
在實(shí)際應用場(chǎng)景中，汽車(chē)不同功能車(chē)載零部件的連接線(xiàn)纜一般會(huì )捆扎在一起，會(huì )導致不同線(xiàn)纜之間產(chǎn)生不同頻段的電磁干擾信號相互耦合，極端情況下受到干擾的零部件會(huì )失效[5]。因此，圣邦采用模擬注入 RF 信號到被測產(chǎn)品電源線(xiàn)或信號線(xiàn)時(shí)，BCI 大電流注入干擾的評估方法，按照 ISO 11452-4 標準，在 12V/24V 電池供電下，最高等級 4，分別測試了不同距離下（150mm、450mm、750mm）共模干擾和差模干擾注入，對高邊驅動(dòng)帶不同負載時(shí)的功能影響。表 3 為 BCI 大電流注入測試條件。
表 3 高邊驅動(dòng) BCI 大電流注入測試條件
3：AEC-Q100-012 重復短路次數和 SOA 壽命測試
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說(shuō)到汽車(chē)系統應用中高頻易發(fā)的惡劣情況，各種短路事件是無(wú)法避免的。由于汽車(chē)采用車(chē)身金屬架構作為整個(gè)接地平面，所以更容易出現搭鐵短路。按照 AEC-Q100-012 標準，對 SGM42203Q 進(jìn)行了 12V 供電下多種短路測試（如圖 11 所示）。按照表 4 所示的條件，完成了高溫（+125℃）/常溫（+25℃）/低溫（-40℃），12V/24V 電池供電情況下，開(kāi)關(guān)短路、PWM 脈沖重復開(kāi)關(guān)短路、熱插拔短路等在長(cháng)脈沖（300ms）、短脈沖（10ms）下的重復短路等一系列測試。
圖 11 高邊驅動(dòng)等效短路測試電路
表 4 高邊驅動(dòng)等效短路測試條件
4：正在進(jìn)行按照 ZVEI 通用 IC EMC IEC 61967-4 標準測試
圣邦的高邊驅動(dòng)不僅具備基本驅動(dòng)保護功能，還通過(guò)了上述的各種 EMC 標準認證、極端應用下短路測試來(lái)確保器件可靠性。接下來(lái)還將參考 ZVEI 通用 IC EMC 測試規范中的 IEC 61967-4 標準，對 SGM42203Q 進(jìn)行電磁傳導發(fā)射的測量。參考 IEC 62132-4 標準，采用射頻功率注入法，測試高邊驅動(dòng)的電磁注入抗擾度。參考 IEC 62215-3 標準，對高邊驅動(dòng)芯片電磁瞬態(tài)抗擾度進(jìn)行試驗。本著(zhù)“要做車(chē)規芯片，先把車(chē)規放心里”的原則，在惡劣環(huán)境下每項測試，都是為了確保車(chē)規高邊驅動(dòng)芯片在汽車(chē)系統應用中的可靠性、穩定性和安全性。
除了通過(guò)上述的嚴格的車(chē)規標準測試，SGM42203Q 還有其他功能上的優(yōu)勢（詳見(jiàn)表 5）。
表 5 SGM42202Q/3Q 主要優(yōu)勢
高邊驅動(dòng)產(chǎn)品已經(jīng)存在近十年時(shí)間，但仍具有很高的技術(shù)壁壘。隨著(zhù)新能源汽車(chē)的發(fā)展以及汽車(chē)應用設計對于高可靠性、智能化等特點(diǎn)的需求，高邊驅動(dòng)產(chǎn)品也需要不斷更新迭代，如何判斷其未來(lái)應用發(fā)展趨勢對于迅速占據潛在市場(chǎng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。為此圣邦微電子一直在努力，我們會(huì )推出更多符合未來(lái)汽車(chē)市場(chǎng)需求的高可靠高邊驅動(dòng)產(chǎn)品。
以下為圣邦近期提供的汽車(chē)級驅動(dòng)類(lèi)產(chǎn)品系列，歡迎來(lái)電洽談！
表 6 圣邦高低邊驅動(dòng)產(chǎn)品路線(xiàn)圖
表 7 圣邦 MOSFET 驅動(dòng)產(chǎn)品路線(xiàn)圖
參考文獻
[1] Stephane Fraisse. Smart High-Side Switches Application Note [EB/OL]. (2010-12-15). https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Application+Note-PROFET+12V-What+....
[2] Infineon Technologies AG. 如何用好智能高邊開(kāi)關(guān) [EB/OL]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/315128197.
[3] 國產(chǎn)芯片怎么做車(chē)規認證 [EB/OL]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/596491367.
[4] 汽車(chē)電子產(chǎn)品EMC測試項目 [EB/OL]. (2022-06-01). https://www.dongchedi.com/article/7104075416205394473.
[5] 什么是BCI大電流注入 [EB/OL]. (2023-01-29). https://baijiahao.baidu.com/s?id=1756347039125014944&wfr=spider&for=pc.
（來(lái)源：圣邦微電子）
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