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多年來，節省成本、可靠性和容錯需求是在汽車系統中推廣應用智能功率器件的主要動力。智能功率固態開關被廣泛用于電源管理目的，因為系統診斷和容錯能力是電源管理的必備功能。例如，在車身電子產品中，智能功率固態開關被廣泛用于車身控制模塊，驅動汽車內外照明系統以及感應負載，如電磁閥和各種電機。 意法半導體開發車用智能功率技術已有15年的歷史，現在VIPower M0TM IPS（智能功率開關I）產品已經進化到第五代。 ST擁有單路和多路上橋臂和下橋臂驅動器，每款產品都具有不同的診斷和保護特性，可完全滿足汽車照明系統的全部需求。VIPower M0-5、M0-5E和M0-5M系列產品為客戶提供多種不同的導通電阻和封裝選擇，RdsON從4mΩ到250mΩ，封裝包括ST獨有的PowerSSO-12/16/24/36和HPAK。 1. 前言 近十年來，接線盒的功能從機電保險盒的概念向高度智能的復雜的整車配電開關單元的發展趨勢，為固態智能功率開關向汽車市場滲透提供了一個絕佳的機會。 日益嚴格的市場要求和立法要求迫使設備廠商需要更復雜的功能。從高檔豪華汽車到入門的緊湊型汽車，除強調電源管理的節能特性外，各種車用智能接線盒還廣泛使用智能功率開關，可以說接線盒已經離不開智能功率開關。 在車身電子應用領域，車身控制模塊是廠家關注的重點，智能功率開關被廣泛用于驅動內外車燈和各種電機以及感應負載。因為具有智能保護功能，智能功率開關還有助于進一步降低線束的重量。 由于汽車電子環境十分惡劣，一個快速的診斷回路對這些器件起到重要作用。 最新的M0-5E系列上橋臂驅動器所采用的最重要的保護技術值得我們認真了解一下。 2. 驅動汽車電子負載的VIPower上橋臂驅動器 圖1是一個先進的車用智能功率開關的框圖。 圖1:采用ST的VIPower M0TM技術的先進車用智能功率開關結構框圖。 用VIPower HSD驅動汽車電子負載意味著需要考慮下列因素: ·負載監視 ·涌流處理 ·感應能源處理 ·功耗: 2.1 負載監視 負載狀態反饋是智能功率開關的最適用的特性之一。 ST M0TM 器件配備一支模擬電流檢測引腳或者一支數字狀態引腳；前者向外部輸出與負載電流成正比的輸出電流；后者提供一個與邏輯電路兼容的輸出信號（開漏）。 通過反饋信號的方法，可以反復查看負載工作是否正常，是否處于失效狀態，如短路、負載斷開和超載。 所有的失效事件都可以在通態下檢測出來，不過，M0-5和M0-5E兩個系列產品還提供斷態診斷功能。 電流檢測引腳可實時監視負載電流，當發生失效事件時，檢測引腳輸出就會變成一個診斷標志。 如果連續的電流負載監測不是一個必備功能外，我們還為客戶提供配備數字診斷功能的各種產品。 下表描述了每個系列產品的診斷功能。 圖2. ST VIPower M0TM 系列產品的診斷功能 2.2 功耗 散熱設計涉及的主要參數總結如下： ·RON 是芯片內置的MOSFET的導通電阻。 ·ILoad 是額定負載電流。 ·RThj-a 是器件與外界之間的熱阻。 ·開關次數 ·開關頻率 所有這些參數之間的相互關系可以用下面的方程表示： (方程1) (方程2) 散熱設計的目標是避免器件達到最高結溫，同時防止印刷電路板達到最高溫度。 涌流處理 直到車燈的“啟輝”階段完成后，通過車燈的電流才能視為恒流。涌流可以持續幾毫秒，啟輝階段的主要特點是電流會上升到一個大于額定電流值的水平：大約是額定電流的10倍。 這意味著在車燈剛一接通時，上橋臂驅動器（HSD）必須能夠承受這么大的電流，而且，強電流還會產生一個快速的熱瞬變事件，接著在芯片上產生一個熱機械應力。 圖3是一個上橋臂驅動器的安全工作區(SOA)。 圖3. HSD:安全工作區 該器件的工作電流應該始終低于“額定負載線”的電流，以免被燒毀。工作電流短暫超過“額定負載線”電流是可以的，但是， 器件內部的保護功能必須激活，以便處理異常狀況。 我們可以證明，在初始瞬變期間，溫度差值越小，該器件在失效前能夠維持的激活次數越多。 圖4是表示溫度差delta_Temperature與開關次數k-cycles之間關系的量化圖。 圖4. 開關次數k-cycles對溫度度差delta_Temperature 2.3 主動功率限制 ST M0-5、M0-5E和M0-5M上橋臂驅動器都采用一個新的保護策略，使器件甚至可以在異常情況下安全接通，同時去除在芯片上產生的應力。 這個所謂的“主功率限制”電路包括可以抑制在車燈浪涌或超負載期間發生的快速熱瞬變事件的自限制電路。該電路可以確保器件承受甚至在極端條件下承受冷啟動燈泡的涌流，不會對可靠性產生任何影響。快速的干擾不會觸發保護電路，該器件可以安全承受這類干擾，始終嘗試接通負載，確保功能正常運行，沒有不必要的關斷操作。 圖5是一個采用主動功率限制方法處理異常涌流的示例。 圖5. 功率限制 3. 封裝與伸縮性 除M0-5的診斷和保護功能外，該產品組合還為客戶提供各種封裝選擇，以及創新的多片封裝技術。按照負載的大小優化導通電阻RON，再加上簡易的直插式器件更換方法，該產品組合為客戶提供了一個完整的可伸縮的解決方案，讓用戶可以任意更換同一系列中不同型號的模塊。導通電阻RON 范圍從兩路PQFN封裝的4mΩ，到四路PSSO-16封裝的250 mΩ。 圖6. 某些M0-5E產品采用的新封裝 同一款產品通常采用不同的封裝，以便簡化散熱設計。 4. 結論 先進、復雜的功能是現代車身控制模塊的基本要求，智能功率開關深受車身控制模塊設計人員的歡迎。通過研制各種標準的上橋臂驅動器，針對惡劣的汽車環境優化設計，ST為客戶提供一個完整的可伸縮的解決方案。 |
