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多年來，節(jié)省成本、可靠性和容錯需求是在汽車系統(tǒng)中推廣應(yīng)用智能功率器件的主要動力。智能功率固態(tài)開關(guān)被廣泛用于電源管理目的，因為系統(tǒng)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(chǎn)品中，智能功率固態(tài)開關(guān)被廣泛用于車身控制模塊，驅(qū)動汽車內(nèi)外照明系統(tǒng)以及感應(yīng)負(fù)載，如電磁閥和各種電機。 意法半導(dǎo)體開發(fā)車用智能功率技術(shù)已有15年的歷史，現(xiàn)在VIPower M0TM IPS（智能功率開關(guān)I）產(chǎn)品已經(jīng)進化到第五代。 ST擁有單路和多路上橋臂和下橋臂驅(qū)動器，每款產(chǎn)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(tǒng)的全部需求。VIPower M0-5、M0-5E和M0-5M系列產(chǎn)品為客戶提供多種不同的導(dǎo)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(fù)雜的整車配電開關(guān)單元的發(fā)展趨勢，為固態(tài)智能功率開關(guān)向汽車市場滲透提供了一個絕佳的機會。 日益嚴(yán)格的市場要求和立法要求迫使設(shè)備廠商需要更復(fù)雜的功能。從高檔豪華汽車到入門的緊湊型汽車，除強調(diào)電源管理的節(jié)能特性外，各種車用智能接線盒還廣泛使用智能功率開關(guān)，可以說接線盒已經(jīng)離不開智能功率開關(guān)。 在車身電子應(yīng)用領(lǐng)域，車身控制模塊是廠家關(guān)注的重點，智能功率開關(guān)被廣泛用于驅(qū)動內(nèi)外車燈和各種電機以及感應(yīng)負(fù)載。因為具有智能保護功能，智能功率開關(guān)還有助于進一步降低線束的重量。 由于汽車電子環(huán)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(qū)動器所采用的最重要的保護技術(shù)值得我們認(rèn)真了解一下。 2. 驅(qū)動汽車電子負(fù)載的VIPower上橋臂驅(qū)動器 圖1是一個先進的車用智能功率開關(guān)的框圖。 圖1:采用ST的VIPower M0TM技術(shù)的先進車用智能功率開關(guān)結(jié)構(gòu)框圖。 用VIPower HSD驅(qū)動汽車電子負(fù)載意味著需要考慮下列因素: ·負(fù)載監(jiān)視 ·涌流處理 ·感應(yīng)能源處理 ·功耗: 2.1 負(fù)載監(jiān)視 負(fù)載狀態(tài)反饋是智能功率開關(guān)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(shù)字狀態(tài)引腳；前者向外部輸出與負(fù)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(fù)查看負(fù)載工作是否正常，是否處于失效狀態(tài)，如短路、負(fù)載斷開和超載。 所有的失效事件都可以在通態(tài)下檢測出來，不過，M0-5和M0-5E兩個系列產(chǎn)品還提供斷態(tài)診斷功能。 電流檢測引腳可實時監(jiān)視負(fù)載電流，當(dāng)發(fā)生失效事件時，檢測引腳輸出就會變成一個診斷標(biāo)志。 如果連續(xù)的電流負(fù)載監(jiān)測不是一個必備功能外，我們還為客戶提供配備數(shù)字診斷功能的各種產(chǎn)品。 下表描述了每個系列產(chǎn)品的診斷功能。 圖2. ST VIPower M0TM 系列產(chǎn)品的診斷功能 2.2 功耗 散熱設(shè)計涉及的主要參數(shù)總結(jié)如下： ·RON 是芯片內(nèi)置的MOSFET的導(dǎo)通電阻。 ·ILoad 是額定負(fù)載電流。 ·RThj-a 是器件與外界之間的熱阻。 ·開關(guān)次數(shù) ·開關(guān)頻率 所有這些參數(shù)之間的相互關(guān)系可以用下面的方程表示： (方程1) (方程2) 散熱設(shè)計的目標(biāo)是避免器件達(dá)到最高結(jié)溫，同時防止印刷電路板達(dá)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(xù)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(qū)動器（HSD）必須能夠承受這么大的電流，而且，強電流還會產(chǎn)生一個快速的熱瞬變事件，接著在芯片上產(chǎn)生一個熱機械應(yīng)力。 圖3是一個上橋臂驅(qū)動器的安全工作區(qū)(SOA)。 圖3. HSD:安全工作區(qū) 該器件的工作電流應(yīng)該始終低于“額定負(fù)載線”的電流，以免被燒毀。工作電流短暫超過“額定負(fù)載線”電流是可以的，但是， 器件內(nèi)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(shù)越多。 圖4是表示溫度差delta_Temperature與開關(guān)次數(shù)k-cycles之間關(guān)系的量化圖。 圖4. 開關(guān)次數(shù)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(qū)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(chǎn)生的應(yīng)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(fù)載期間發(fā)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(chǎn)生任何影響�？焖俚母蓴_不會觸發(fā)保護電路，該器件可以安全承受這類干擾，始終嘗試接通負(fù)載，確保功能正常運行，沒有不必要的關(guān)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(chǎn)品組合還為客戶提供各種封裝選擇，以及創(chuàng)新的多片封裝技術(shù)。按照負(fù)載的大小優(yōu)化導(dǎo)通電阻RON，再加上簡易的直插式器件更換方法，該產(chǎn)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(dǎo)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(chǎn)品采用的新封裝 同一款產(chǎn)品通常采用不同的封裝，以便簡化散熱設(shè)計。 4. 結(jié)論 先進、復(fù)雜的功能是現(xiàn)代車身控制模塊的基本要求，智能功率開關(guān)深受車身控制模塊設(shè)計人員的歡迎。通過研制各種標(biāo)準(zhǔn)的上橋臂驅(qū)動器，針對惡劣的汽車環(huán)境優(yōu)化設(shè)計，ST為客戶提供一個完整的可伸縮的解決方案。 |
