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高可靠高邊驅動助力汽車應用

發布時間：2024-01-30 責任編輯：lina

【導讀】隨著汽車電子技術發展，電動化，輕量化與智能化需求帶動了車規級高邊驅動（High-side Driver, HSD）在車身負載驅動中的大規模應用。

深入淺出——了解高邊驅動在汽車應用中的挑戰

隨著汽車電子技術發展，電動化，輕量化與智能化需求帶動了車規級高邊驅動（High-side Driver, HSD）在車身負載驅動中的大規模應用。

在汽車應用領域，高邊驅動主要用於對車燈、閥門、泵、dianjidengfuzaidequdongyukaiguan，bingjiankongfuzaizaikaiguanguochengzhongdeduanluhekailu，dianliuhedianyadengqingkuang，duifuzaijinxingbaohuhezhenduan，tongshi，gaobianqudongjichengqianweiguanduangongneng，weikaiguannengliangdechulinenglitigonglezhichi，buxuyaoxuliudianliuzaixunhuanlujing，congerjiangdishejinandu，jiangdidianchinenghao，jieshengxitongchengben。

目前關於高邊驅動，汽車行業主要關注其驅動阻性、容性與感性等負載時的特性。

三大負載類型中，最單純的是阻性負載（如 PTC、座椅加熱）。其負載特性比較穩定，考驗高邊驅動的導通內阻。高邊驅動器的內阻越低，它所能帶的阻性負載越大、額定電流越高。

容性負載在啟動時會產生較大的浪湧電流。以鹵素燈負載為例，通常車燈負載特性和浪湧電流由 IDC，IINRUSH 和 tLAMP−ON 三個參數描述。IDC 定義了穩定狀態時的消耗電流，IINRUSH 是初始浪湧電流，同時，時間常數 tLAMP−ON 描述了達到穩定狀態的轉變時間。一般認為 IINRUSH 是 IDC 的 10 倍。當驅動電流降至小於 IINRUSH 一半時，車燈達到打開狀態，這段時間定義為 tLAMP−ON。如果高邊驅動存在因為浪湧電流導致的短路保護和開啟重試，則 tLAMP−ON 定義為從開始到最後一次開啟重試所需時間。在車燈設計中應該確保 tLAMP−ON 不超過 30ms[1]。浪湧電流主要受燈絲溫度影響，最差情況基本發生在 -40℃，典型情況是在環境溫度（+25℃）。而實際工作電流往往遠小於浪湧電流，所以針對容性負載的限流保護設計是一個挑戰。

最複雜的是感性負載。汽車電子係統中常見感性負載主要有：變速箱控製模塊（TCU）應用中的執行器，如電機、電磁閥等；車身控製模塊（BCM）中的執行器，如雨刮、繼電器、風機、水泵、油you泵beng等deng，同tong樣yang表biao現xian為wei感gan性xing特te點dian。高gao邊bian驅qu動dong在zai應ying對dui感gan性xing負fu載zai關guan斷duan時shi，需xu要yao通tong過guo續xu流liu保bao護hu維wei持chi感gan性xing負fu載zai電dian流liu流liu向xiang不bu變bian，但dan如ru果guo負fu載zai兩liang端duan的de電dian壓ya極ji性xing突tu然ran翻fan轉zhuan，高gao邊bian驅qu動dong輸shu出chu端duan將jiang瞬shun間jian產chan生sheng數shu百bai伏fu負fu電dian壓ya。由you於yu關guan斷duan負fu壓ya幅fu度du大da小xiao與yu感gan性xing負fu載zai中zhong退tui磁ci能neng量liang成cheng正zheng相xiang關guan，高gao邊bian驅qu動dong內nei部bu的de MOSFET DS 端將承受巨大反向電壓，如果未采取任何鉗位措施，MOSFET 將麵臨被損毀的風險[2]。與此同時，瞬間關斷產生的退磁耗散能量是否在高壓側器件承受範圍內，也決定著退磁關斷是否會燒毀高邊驅動。

那na麼me為wei了le應ying對dui這zhe些xie負fu載zai驅qu動dong時shi的de挑tiao戰zhan，一yi顆ke好hao的de高gao邊bian驅qu動dong芯xin片pian需xu要yao具ju備bei哪na些xie特te點dian呢ne？通tong常chang，汽qi車che應ying用yong除chu了le正zheng常chang的de開kai關guan和he驅qu動dong能neng力li，還hai主zhu要yao從cong保bao護hu功gong能neng和he負fu載zai診zhen斷duan進jin行xing評ping估gu。典dian型xing評ping估gu項xiang目mu如ru表biao 1 所示。

表 1 高邊驅動典型評估項目

實現上述開關驅動、功能保護和故障診斷功能就是一顆完善的車規級高邊驅動芯片了嗎？

汽車應用係統的運行環境複雜又惡劣，若要確保汽車芯片長時間無故障運行，設計係統時就要考慮所有的緊急和極端情況。包括拋負載、冷啟動、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，車規級芯片要求使用壽命更長。大部分芯片隨著汽車落地要保持 10 年以上安全可靠的工作。另外，容錯率要求也更高，對於 DPPM（每百萬缺陷中的不良品數），消費級芯片要求不超過 500 個缺陷，而車規級則要控製到不超過 10 個缺陷。

汽(qi)車(che)用(yong)器(qi)件(jian)在(zai)投(tou)入(ru)量(liang)產(chan)前(qian)，往(wang)往(wang)要(yao)經(jing)過(guo)一(yi)係(xi)列(lie)嚴(yan)格(ge)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)測(ce)試(shi)，以(yi)確(que)保(bao)產(chan)品(pin)可(ke)靠(kao)性(xing)達(da)到(dao)車(che)規(gui)要(yao)求(qiu)。目(mu)前(qian)，業(ye)界(jie)常(chang)用(yong)的(de)汽(qi)車(che)係(xi)統(tong)認(ren)證(zheng)標(biao)準(zhun)有(you)功(gong)能(neng)安(an)全(quan)標(biao)準(zhun) ISO 26262、質量管理體係認證 IATF16949、可靠性標準 AEC-Q 係列認證等[3]。常見汽車整車係統及芯片 EMC 檢測如表 2 所示[4]。

表 2 整車 EMC 測試及標準

可見，車規級高邊驅動芯片為應對汽車應用中惡劣環境的挑戰，不僅要集開關驅動、功能保護和故障診斷等諸多功能於一體，還必須符合上述各類標準認證。所以，一顆車規級芯片要比工業級、消費級芯片更結實，更可靠。

做車規芯片，先把車規放心裏

聖邦微電子推出的高邊驅動 SGM42202Q/3Q 係列產品具備 4.5V 至 36V 寬電壓輸入範圍，75mΩ 低導通內阻，22A 最高限流值，並且可根據應用需求配置多檔限流台階（2.5A/5A/10A/15A/22A），內置過流屏蔽時間設置引腳。器件采用單芯片實現，在汽車 BCM 模塊、ECU 單元等係統得到廣泛應用。

SGM42203Q 的低導通內阻和可調節限流檔位特性，可以開關驅動汽車係統中多種阻性負載；通tong過guo改gai變bian外wai置zhi電dian容rong器qi和he電dian阻zu器qi常chang數shu可ke以yi自zi由you調tiao整zheng浪lang湧yong電dian流liu的de保bao護hu時shi間jian和he穩wen態tai電dian流liu限xian流liu設she定ding值zhi的de特te性xing，可ke在zai汽qi車che係xi統tong中zhong用yong於yu調tiao節jie從cong瞬shun態tai電dian流liu到dao穩wen態tai電dian流liu的de時shi間jian，從cong而er更geng快kuai啟qi動dong車che燈deng等deng容rong性xing負fu載zai。

如圖 1、圖 2 所示，高邊驅動集成了 60V 鉗位電路，相較於使用續流二極管鉗位關斷，60V 鉗位電壓極大地縮短了退磁關斷時間 tDEMAG。在某些應用如：噴油器驅動、PWM 控製閥等，對關閉時間有嚴格要求時，也可以輕鬆應對；如圖 3、圖 4 所示，麵對 300mH 電感負載驅動關斷時，測量得出 VCLAMP 電壓為 60V，關斷退磁時間 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 實際關斷測量得到退磁能量 EAS 為 262.5mJ，yulilunzhijinsi。zheyeweiqudongganxingfuzaishitigongyidingdetuicihaosannengli，qudongguanduanhaosannengliangzaigaobianqudongchengshoufanweizhineidefuzaishi，buxuyaozengjiachengbenshejiwaibuqianwei。

通過多功能 CS 引腳，SGM42203Q 集成了診斷和電流檢測輸出功能，不僅能在工作時進行實時電流采樣，還能在觸發故障時及時輸出 VSENSEH 高電平報錯，並通知控製單元。

實現基本的保護功能隻是第一步，聖邦對於車規級高邊驅動芯片的要求遠不止於此。

1：汽車 EMI/EMC 測試標準 ISO7637-2

由於經常要在高溫、zhendongdengtiaojianxiagongzuo，qichedianqixitongdehuanjingfeichangfuzaheelie，kenengjingchangfashengdianqixitongguzhang，rujiaoliufadianjiguodianya，lianjiexitongduanludeng。weileyanzhengyandianyuandeshuntaichuandaoganraoduigaobianqudongdeyingxiang，shengbangyizhao ISO 7637-2 標準，測試了 SGM42203Q 在 12V 和 24V 電池係統供電下空載/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 負脈衝、P2a 正脈衝、P3a 負脈衝、P3b 正脈衝、P4 反向電壓和 P5b 拋負載脈衝時，高邊驅動開關功能均表現正常。

2：BCI 大電流注入幹擾的評估

在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)中(zhong)，汽(qi)車(che)不(bu)同(tong)功(gong)能(neng)車(che)載(zai)零(ling)部(bu)件(jian)的(de)連(lian)接(jie)線(xian)纜(lan)一(yi)般(ban)會(hui)捆(kun)紮(zha)在(zai)一(yi)起(qi)，會(hui)導(dao)致(zhi)不(bu)同(tong)線(xian)纜(lan)之(zhi)間(jian)產(chan)生(sheng)不(bu)同(tong)頻(pin)段(duan)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)相(xiang)互(hu)耦(ou)合(he)，極(ji)端(duan)情(qing)況(kuang)下(xia)受(shou)到(dao)幹(gan)擾(rao)的(de)零(ling)部(bu)件(jian)會(hui)失(shi)效(xiao)[5]。因此，聖邦采用模擬注入 RF 信號到被測產品電源線或信號線時，BCI 大電流注入幹擾的評估方法，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）共模幹擾和差模幹擾注入，對高邊驅動帶不同負載時的功能影響。表 3 為 BCI 大電流注入測試條件。

表 3 高邊驅動 BCI 大電流注入測試條件

3：AEC-Q100-012 重複短路次數和 SOA 壽命測試

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說shuo到dao汽qi車che係xi統tong應ying用yong中zhong高gao頻pin易yi發fa的de惡e劣lie情qing況kuang，各ge種zhong短duan路lu事shi件jian是shi無wu法fa避bi免mian的de。由you於yu汽qi車che采cai用yong車che身shen金jin屬shu架jia構gou作zuo為wei整zheng個ge接jie地di平ping麵mian，所suo以yi更geng容rong易yi出chu現xian搭da鐵tie短duan路lu。按an照zhao AEC-Q100-012 標準，對 SGM42203Q 進行了 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，開關短路、PWM 脈衝重複開關短路、熱插拔短路等在長脈衝（300ms）、短脈衝（10ms）下的重複短路等一係列測試。

圖 11 高邊驅動等效短路測試電路

表 4 高邊驅動等效短路測試條件

4：正在進行按照 ZVEI 通用 IC EMC IEC 61967-4 標準測試

聖邦的高邊驅動不僅具備基本驅動保護功能，還通過了上述的各種 EMC 標準認證、極端應用下短路測試來確保器件可靠性。接下來還將參考 ZVEI 通用 IC EMC 測試規範中的 IEC 61967-4 標準，對 SGM42203Q 進行電磁傳導發射的測量。參考 IEC 62132-4 標準，采用射頻功率注入法，測試高邊驅動的電磁注入抗擾度。參考 IEC 62215-3 標準，對高邊驅動芯片電磁瞬態抗擾度進行試驗。本著“要做車規芯片，先把車規放心裏”的原則，在惡劣環境下每項測試，都是為了確保車規高邊驅動芯片在汽車係統應用中的可靠性、穩定性和安全性。

除了通過上述的嚴格的車規標準測試，SGM42203Q 還有其他功能上的優勢（詳見表 5）。

表 5 SGM42202Q/3Q 主要優勢

高邊驅動產品已經存在近十年時間，但仍具有很高的技術壁壘。隨著新能源汽車的發展以及汽車應用設計對於高可靠性、智(zhi)能(neng)化(hua)等(deng)特(te)點(dian)的(de)需(xu)求(qiu)，高(gao)邊(bian)驅(qu)動(dong)產(chan)品(pin)也(ye)需(xu)要(yao)不(bu)斷(duan)更(geng)新(xin)迭(die)代(dai)，如(ru)何(he)判(pan)斷(duan)其(qi)未(wei)來(lai)應(ying)用(yong)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)對(dui)於(yu)迅(xun)速(su)占(zhan)據(ju)潛(qian)在(zai)市(shi)場(chang)來(lai)說(shuo)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。為(wei)此(ci)聖(sheng)邦(bang)微(wei)電(dian)子(zi)一(yi)直(zhi)在(zai)努(nu)力(li)，我(wo)們(men)會(hui)推(tui)出(chu)更(geng)多(duo)符(fu)合(he)未(wei)來(lai)汽(qi)車(che)市(shi)場(chang)需(xu)求(qiu)的(de)高(gao)可(ke)靠(kao)高(gao)邊(bian)驅(qu)動(dong)產(chan)品(pin)。

以下為聖邦近期提供的汽車級驅動類產品係列，歡迎來電洽談！

表 6 聖邦高低邊驅動產品路線圖

表 7 聖邦 MOSFET 驅動產品路線圖

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關 [EB/OL]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/315128197.

[3] 國產芯片怎麼做車規認證 [EB/OL]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/596491367.

[4] 汽車電子產品EMC測試項目 [EB/OL]. (2022-06-01). https://www.dongchedi.com/article/7104075416205394473.

[5] 什麼是BCI大電流注入 [EB/OL]. (2023-01-29). https://baijiahao.baidu.com/s?id=1756347039125014944&wfr=spider&for=pc.

（來源：聖邦微電子）

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