【導讀】功率器件可以在各種非正常工況下保護自己并報錯會(huì )大大提高功率器件自身的可靠性和整個(gè)系統的安全性。以下圖中英飛凌的智能高邊經(jīng)典產(chǎn)品PROFET系列為例，它集成了診斷和保護功能(Protect)的功率器件(MOSFET)，它可以對異常工況作出反應，并及時(shí)向控制單元匯報。尤其是在汽車(chē)級的應用中，汽車(chē)復雜的電氣架構大大提高了電子的故障檢測的難度，我們需要知道電路和器件的工作狀態(tài)，才能快速對故障進(jìn)行定位。
01 什么是智能功率開(kāi)關(guān)(Smart power switch)
功率器件可以在各種非正常工況下保護自己并報錯會(huì )大大提高功率器件自身的可靠性和整個(gè)系統的安全性。以下圖中英飛凌的智能高邊經(jīng)典產(chǎn)品PROFET系列為例，它集成了診斷和保護功能(Protect)的功率器件(MOSFET)，它可以對異常工況作出反應，并及時(shí)向控制單元匯報。尤其是在汽車(chē)級的應用中，汽車(chē)復雜的電氣架構大大提高了電子的故障檢測的難度，我們需要知道電路和器件的工作狀態(tài)，才能快速對故障進(jìn)行定位。
英飛凌智能高邊開(kāi)關(guān)PROFET系列
智能功率開(kāi)關(guān)適用于驅動(dòng)不同類(lèi)型的負載，如阻性負載（PTC），感性負載（電機），容性負載和車(chē)燈。并可以取代汽車(chē)系統中的許多元件，比如繼電器和保險絲等。它包含了許多種保護功能以應對電路中各種常見(jiàn)的失效問(wèn)題。同時(shí)它還具備電流檢測功能，在對電路檢測精度要求并不苛刻的應用中，可以額外節省shunt電阻以及分立差分比較器。某些特定的產(chǎn)品家族還帶有開(kāi)關(guān)速度調節功能，這種功能在優(yōu)化電流尖峰和EMI時(shí)十分實(shí)用。在PCB板的布局上，由于英飛凌的智能功率開(kāi)關(guān)器件有著(zhù)極高的集成度，它甚至不需要比分立MOSFET多很多的Pin腳。
02 智能功率開(kāi)關(guān)如何避免失效問(wèn)題
想保護功率器件避免失效，我們需要先分析常見(jiàn)的失效原因并一一解決。
對于傳統的分立MOSFET器件常見(jiàn)的失效原因有：
1. 供電電壓劇烈波動(dòng)（比如汽車(chē)的12V電氣系統，在點(diǎn)火和搭電啟動(dòng)時(shí)電壓可能會(huì )有5.5V至24V的波動(dòng)）所引發(fā)的過(guò)壓?jiǎn)?wèn)題
2. 感性負載關(guān)斷時(shí)在MOSFET兩端所產(chǎn)生的電壓尖峰V_ds=V_bat+V_L所導致的器件過(guò)壓
3. 負載或電路中某處短路所產(chǎn)生的短路電流使器件過(guò)流/過(guò)溫失效
因此，在汽車(chē)12V或是24V電氣系統中使用MOSFET，需要充分考慮器件的breakdown voltage是否可以承受電壓的劇烈波動(dòng)。而感性負載的電壓尖峰則可以通過(guò)對器件開(kāi)關(guān)速度的調節進(jìn)行一定優(yōu)化。對于過(guò)流/過(guò)溫所產(chǎn)生的失效問(wèn)題則可以通過(guò)及時(shí)斷開(kāi)MOSFET從而對器件和電路進(jìn)行保護。
除了以上幾種失效問(wèn)題以外，還有一些異常工況比如負載突然斷開(kāi)或者電池欠壓，雖然不一定會(huì )產(chǎn)生元器件損壞，但此時(shí)電路已經(jīng)無(wú)法正常工作，我們需要及時(shí)知道電路的狀態(tài)并進(jìn)行調整。
最后值得一提的是，電池反極性問(wèn)題在汽車(chē)系統中也是需要考慮的一種失效模型。因為在更換汽車(chē)電池或者是搭電啟動(dòng)時(shí)，粗心的司機可能會(huì )將電池接反。而當電池反接時(shí)，MOSFET的體二極管會(huì )直接導通并產(chǎn)生大量損耗，引起芯片快速升溫。
03 智能功率開(kāi)關(guān)的選擇
智能功率開(kāi)關(guān)分為智能高邊開(kāi)關(guān)和低邊開(kāi)關(guān)。顧名思義，高邊開(kāi)關(guān)(High side switch)表示功率開(kāi)關(guān)處于負載高電勢的一側，即電池和負載之間。而低邊開(kāi)關(guān)(Low side switch)處于負載的低電勢一側，通常是在負載和地之間。
如上圖中所示，正常工作時(shí)兩者都可以使電路導通或者斷開(kāi)。對于圖示高邊電路中的兩個(gè)短路點(diǎn)，斷開(kāi)MOSFET都可以很好的保護電路和負載。但對于低邊電路中的兩個(gè)短路點(diǎn)，斷開(kāi)低邊MOSFET之后，電路仍處于電源對地短路或者是負載無(wú)法斷開(kāi)的問(wèn)題。只有在低邊開(kāi)關(guān)之后的電路對地短路，關(guān)閉MOSFET才可以使電路斷開(kāi)。相比之下，電路中使用高邊開(kāi)關(guān)會(huì )有更好的保護效果。但需要注意的是，想在高邊使用N通道MOSFET，由于它的源極電壓不固定，就需要額外的Charge pump或Bootstrap電路對開(kāi)關(guān)管進(jìn)行驅動(dòng)。
智能高邊開(kāi)關(guān)PROFET系列針對不同種類(lèi)的負載會(huì )有相應的保護功能，比如當容性負載上的電壓高于電池電壓時(shí)會(huì )產(chǎn)生與電池反極性相似的問(wèn)題，此時(shí)智能高邊開(kāi)關(guān)會(huì )報錯并打開(kāi)MOSFET，使電流從通道中流過(guò)，從而降低芯片整體的發(fā)熱量。當感性負載關(guān)斷時(shí)，英飛凌的智能鉗位功能可以抑制電壓尖峰從而保護功率器件。
英飛凌智能高邊家族中除了PROFET系列之外還有適用于A(yíng)DAS應用的Load Guard系列，它的特點(diǎn)是具有可調節的限流保護功能。
而低邊智能開(kāi)關(guān)因為對整個(gè)電路的保護能力受到限制（在電池對地短路和負載開(kāi)路時(shí)無(wú)法對電路施加影響），更需要考慮過(guò)溫/過(guò)流保護。因此英飛凌的智能低邊開(kāi)關(guān)（Highly Integrated Temperature protected FET）被稱(chēng)為HITFET。但除了保護功能之外，英飛凌HITFET系列的低邊智能開(kāi)關(guān)會(huì )額外具備一個(gè)開(kāi)關(guān)速度調節的功能(Slew rate adjustment)以提升EMI性能。
除此之外還有支持SPI控制的多通道高邊開(kāi)關(guān)SPOC家族，多通道智能低邊FLEX家族以及多個(gè)高低邊可以自定義的 SPIDER家族。
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