解析智能功率開關(guān)

功率器件可以在各種非正常工況下保護(hù)自己并報(bào)錯(cuò)會(huì)大大提高功率器件自身的可靠性和整個(gè)系統(tǒng)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(hù)功能(Protect)的功率器件(MOSFET)，它可以對(duì)異常工況作出反應(yīng)，并及時(shí)向控制單元匯報(bào)。尤其是在汽車級(jí)的應(yīng)用中，汽車復(fù)雜的電氣架構(gòu)大大提高了電子的故障檢測(cè)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(duì)故障進(jìn)行定位。

01 什么是智能功率開關(guān)(Smart power switch)

功率器件可以在各種非正常工況下保護(hù)自己并報(bào)錯(cuò)會(huì)大大提高功率器件自身的可靠性和整個(gè)系統(tǒng)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(hù)功能(Protect)的功率器件(MOSFET)，它可以對(duì)異常工況作出反應(yīng)，并及時(shí)向控制單元匯報(bào)。尤其是在汽車級(jí)的應(yīng)用中，汽車復(fù)雜的電氣架構(gòu)大大提高了電子的故障檢測(cè)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(duì)故障進(jìn)行定位。

英飛凌智能高邊開關(guān)PROFET系列

智能功率開關(guān)適用于驅(qū)動(dòng)不同類型的負(fù)載，如阻性負(fù)載（PTC），感性負(fù)載（電機(jī)），容性負(fù)載和車燈。并可以取代汽車系統(tǒng)中的許多元件，比如繼電器和保險(xiǎn)絲等。它包含了許多種保護(hù)功能以應(yīng)對(duì)電路中各種常見的失效問(wèn)題。同時(shí)它還具備電流檢測(cè)功能，在對(duì)電路檢測(cè)精度要求并不苛刻的應(yīng)用中，可以額外節(jié)省shunt電阻以及分立差分比較器。某些特定的產(chǎn)品家族還帶有開關(guān)速度調(diào)節(jié)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關(guān)器件有著極高的集成度，它甚至不需要比分立MOSFET多很多的Pin腳。

02 智能功率開關(guān)如何避免失效問(wèn)題

想保護(hù)功率器件避免失效，我們需要先分析常見的失效原因并一一解決。

對(duì)于傳統(tǒng)的分立MOSFET器件常見的失效原因有：

1. 供電電壓劇烈波動(dòng)（比如汽車的12V電氣系統(tǒng)，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)栴}

2. 感性負(fù)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(dǎo)致的器件過(guò)壓

3. 負(fù)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12V或是24V電氣系統(tǒng)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(fù)載的電壓尖峰則可以通過(guò)對(duì)器件開關(guān)速度的調(diào)節(jié)進(jìn)行一定優(yōu)化。對(duì)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MOSFET從而對(duì)器件和電路進(jìn)行保護(hù)。

除了以上幾種失效問(wèn)題以外，還有一些異常工況比如負(fù)載突然斷開或者電池欠壓，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(diào)整。

最后值得一提的是，電池反極性問(wèn)題在汽車系統(tǒng)中也是需要考慮的一種失效模型。因?yàn)樵诟鼡Q汽車電池或者是搭電啟動(dòng)時(shí)，粗心的司機(jī)可能會(huì)將電池接反。而當(dāng)電池反接時(shí)，MOSFET的體二極管會(huì)直接導(dǎo)通并產(chǎn)生大量損耗，引起芯片快速升溫。

03 智能功率開關(guān)的選擇

智能功率開關(guān)分為智能高邊開關(guān)和低邊開關(guān)。顧名思義，高邊開關(guān)(High side switch)表示功率開關(guān)處于負(fù)載高電勢(shì)的一側(cè)，即電池和負(fù)載之間。而低邊開關(guān)(Low side switch)處于負(fù)載的低電勢(shì)一側(cè)，通常是在負(fù)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(dǎo)通或者斷開。對(duì)于圖示高邊電路中的兩個(gè)短路點(diǎn)，斷開MOSFET都可以很好的保護(hù)電路和負(fù)載。但對(duì)于低邊電路中的兩個(gè)短路點(diǎn)，斷開低邊MOSFET之后，電路仍處于電源對(duì)地短路或者是負(fù)載無(wú)法斷開的問(wèn)題。只有在低邊開關(guān)之后的電路對(duì)地短路，關(guān)閉MOSFET才可以使電路斷開。相比之下，電路中使用高邊開關(guān)會(huì)有更好的保護(hù)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(duì)開關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

智能高邊開關(guān)PROFET系列針對(duì)不同種類的負(fù)載會(huì)有相應(yīng)的保護(hù)功能，比如當(dāng)容性負(fù)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)智能高邊開關(guān)會(huì)報(bào)錯(cuò)并打開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(dāng)感性負(fù)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(hù)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ADAS應(yīng)用的Load Guard系列，它的特點(diǎn)是具有可調(diào)節(jié)的限流保護(hù)功能。

而低邊智能開關(guān)因?yàn)閷?duì)整個(gè)電路的保護(hù)能力受到限制（在電池對(duì)地短路和負(fù)載開路時(shí)無(wú)法對(duì)電路施加影響），更需要考慮過(guò)溫/過(guò)流保護(hù)。因此英飛凌的智能低邊開關(guān)（Highly Integrated Temperature protected FET）被稱為HITFET。但除了保護(hù)功能之外，英飛凌HITFET系列的低邊智能開關(guān)會(huì)額外具備一個(gè)開關(guān)速度調(diào)節(jié)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。