高可靠深入淺出——了解高邊驅(qū)動(dòng)在汽車應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

深入淺出——了解高邊驅(qū)動(dòng)在汽車應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

隨著汽車電子技術(shù)發(fā)展，電動(dòng)化，輕量化與智能化需求帶動(dòng)了車規(guī)級(jí)高邊驅(qū)動(dòng)（High-side Driver, HSD）在車身負(fù)載驅(qū)動(dòng)中的大規(guī)模應(yīng)用。

在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，高邊驅(qū)動(dòng)主要用于對車燈、閥門、泵、電機(jī)等負(fù)載的驅(qū)動(dòng)與開關(guān)，并監(jiān)控負(fù)載在開關(guān)過程中的短路和開路，電流和電壓等情況，對負(fù)載進(jìn)行保護(hù)和診斷，同時(shí)，高邊驅(qū)動(dòng)集成鉗位關(guān)斷功能，為開關(guān)能量的處理能力提供了支持，不需要續(xù)流電流再循環(huán)路徑，從而降低設(shè)計(jì)難度，降低電池能耗，節(jié)省系統(tǒng)成本。

目前關(guān)于高邊驅(qū)動(dòng)，汽車行業(yè)主要關(guān)注其驅(qū)動(dòng)阻性、容性與感性等負(fù)載時(shí)的特性。

三大負(fù)載類型中，最單純的是阻性負(fù)載（如 PTC、座椅加熱）。其負(fù)載特性比較穩(wěn)定，考驗(yàn)高邊驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)通內(nèi)阻。高邊驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)阻越低，它所能帶的阻性負(fù)載越大、額定電流越高。

容性負(fù)載在啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流。以鹵素?zé)糌?fù)載為例，通常車燈負(fù)載特性和浪涌電流由 IDC，IINRUSH 和 tLAMP?ON 三個(gè)參數(shù)描述。IDC 定義了穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的消耗電流，IINRUSH 是初始浪涌電流，同時(shí)，時(shí)間常數(shù) tLAMP?ON 描述了達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變時(shí)間。一般認(rèn)為 IINRUSH 是 IDC 的 10 倍。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流降至小于 IINRUSH 一半時(shí)，車燈達(dá)到打開狀態(tài)，這段時(shí)間定義為 tLAMP?ON。如果高邊驅(qū)動(dòng)存在因?yàn)槔擞侩娏鲗?dǎo)致的短路保護(hù)和開啟重試，則 tLAMP?ON 定義為從開始到最后一次開啟重試所需時(shí)間。在車燈設(shè)計(jì)中應(yīng)該確保 tLAMP?ON 不超過 30ms[1]。浪涌電流主要受燈絲溫度影響，最差情況基本發(fā)生在 -40℃，典型情況是在環(huán)境溫度（+25℃）。而實(shí)際工作電流往往遠(yuǎn)小于浪涌電流，所以針對容性負(fù)載的限流保護(hù)設(shè)計(jì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

最復(fù)雜的是感性負(fù)載。汽車電子系統(tǒng)中常見感性負(fù)載主要有：變速箱控制模塊（TCU）應(yīng)用中的執(zhí)行器，如電機(jī)、電磁閥等；車身控制模塊（BCM）中的執(zhí)行器，如雨刮、繼電器、風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等，同樣表現(xiàn)為感性特點(diǎn)。高邊驅(qū)動(dòng)在應(yīng)對感性負(fù)載關(guān)斷時(shí)，需要通過續(xù)流保護(hù)維持感性負(fù)載電流流向不變，但如果負(fù)載兩端的電壓極性突然翻轉(zhuǎn)，高邊驅(qū)動(dòng)輸出端將瞬間產(chǎn)生數(shù)百伏負(fù)電壓。由于關(guān)斷負(fù)壓幅度大小與感性負(fù)載中退磁能量成正相關(guān)，高邊驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的 MOSFET DS 端將承受巨大反向電壓，如果未采取任何鉗位措施，MOSFET 將面臨被損毀的風(fēng)險(xiǎn)[2]。與此同時(shí)，瞬間關(guān)斷產(chǎn)生的退磁耗散能量是否在高壓側(cè)器件承受范圍內(nèi)，也決定著退磁關(guān)斷是否會(huì)燒毀高邊驅(qū)動(dòng)。

那么為了應(yīng)對這些負(fù)載驅(qū)動(dòng)時(shí)的挑戰(zhàn)，一顆好的高邊驅(qū)動(dòng)芯片需要具備哪些特點(diǎn)呢？通常，汽車應(yīng)用除了正常的開關(guān)和驅(qū)動(dòng)能力，還主要從保護(hù)功能和負(fù)載診斷進(jìn)行評估。典型評估項(xiàng)目如表 1 所示。

表 1 高邊驅(qū)動(dòng)典型評估項(xiàng)目

實(shí)現(xiàn)上述開關(guān)驅(qū)動(dòng)、功能保護(hù)和故障診斷功能就是一顆完善的車規(guī)級(jí)高邊驅(qū)動(dòng)芯片了嗎？

汽車應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜又惡劣，若要確保汽車芯片長時(shí)間無故障運(yùn)行，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)就要考慮所有的緊急和極端情況。包括拋負(fù)載、冷啟動(dòng)、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(shí)，車規(guī)級(jí)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(cuò)率要求也更高，對于 DPPM（每百萬缺陷中的不良品數(shù)），消費(fèi)級(jí)芯片要求不超過 500 個(gè)缺陷，而車規(guī)級(jí)則要控制到不超過 10 個(gè)缺陷。

汽車用器件在投入量產(chǎn)前，往往要經(jīng)過一系列嚴(yán)格的可靠性測試，以確保產(chǎn)品可靠性達(dá)到車規(guī)要求。目前，業(yè)界常用的汽車系統(tǒng)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)有功能安全標(biāo)準(zhǔn) ISO 26262、質(zhì)量管理體系認(rèn)證 IATF16949、可靠性標(biāo)準(zhǔn) AEC-Q 系列認(rèn)證等[3]。常見汽車整車系統(tǒng)及芯片 EMC 檢測如表 2 所示[4]。

表 2 整車 EMC 測試及標(biāo)準(zhǔn)

可見，車規(guī)級(jí)高邊驅(qū)動(dòng)芯片為應(yīng)對汽車應(yīng)用中惡劣環(huán)境的挑戰(zhàn)，不僅要集開關(guān)驅(qū)動(dòng)、功能保護(hù)和故障診斷等諸多功能于一體，還必須符合上述各類標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。所以，一顆車規(guī)級(jí)芯片要比工業(yè)級(jí)、消費(fèi)級(jí)芯片更結(jié)實(shí)，更可靠。

做車規(guī)芯片，先把車規(guī)放心里

圣邦微電子推出的高邊驅(qū)動(dòng) SGM42202Q/3Q 系列產(chǎn)品具備 4.5V 至 36V 寬電壓輸入范圍，75mΩ 低導(dǎo)通內(nèi)阻，22A 最高限流值，并且可根據(jù)應(yīng)用需求配置多檔限流臺(tái)階（2.5A/5A/10A/15A/22A），內(nèi)置過流屏蔽時(shí)間設(shè)置引腳。器件采用單芯片實(shí)現(xiàn)，在汽車 BCM 模塊、ECU 單元等系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

SGM42203Q 的低導(dǎo)通內(nèi)阻和可調(diào)節(jié)限流檔位特性，可以開關(guān)驅(qū)動(dòng)汽車系統(tǒng)中多種阻性負(fù)載；通過改變外置電容器和電阻器常數(shù)可以自由調(diào)整浪涌電流的保護(hù)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)電流限流設(shè)定值的特性，可在汽車系統(tǒng)中用于調(diào)節(jié)從瞬態(tài)電流到穩(wěn)態(tài)電流的時(shí)間，從而更快啟動(dòng)車燈等容性負(fù)載。

如圖 1、圖 2 所示，高邊驅(qū)動(dòng)集成了 60V 鉗位電路，相較于使用續(xù)流二極管鉗位關(guān)斷，60V 鉗位電壓極大地縮短了退磁關(guān)斷時(shí)間 tDEMAG。在某些應(yīng)用如：噴油器驅(qū)動(dòng)、PWM 控制閥等，對關(guān)閉時(shí)間有嚴(yán)格要求時(shí)，也可以輕松應(yīng)對；如圖 3、圖 4 所示，面對 300mH 電感負(fù)載驅(qū)動(dòng)關(guān)斷時(shí)，測量得出 VCLAMP 電壓為 60V，關(guān)斷退磁時(shí)間 tDEMAG 為 9.2ms，根據(jù)工程近似計(jì)算公式（1）可算出退磁能量 EAS 為 276mJ，而 SGM42203Q 實(shí)際關(guān)斷測量得到退磁能量 EAS 為 262.5mJ，與理論值近似。這也為驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)提供一定的退磁耗散能力，驅(qū)動(dòng)關(guān)斷耗散能量在高邊驅(qū)動(dòng)承受范圍之內(nèi)的負(fù)載時(shí)，不需要增加成本設(shè)計(jì)外部鉗位。

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(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)電流采樣，還能在觸發(fā)故障時(shí)及時(shí)輸出 VSENSEH 高電平報(bào)錯(cuò)，并通知控制單元。

實(shí)現(xiàn)基本的保護(hù)功能只是第一步，圣邦對于車規(guī)級(jí)高邊驅(qū)動(dòng)芯片的要求遠(yuǎn)不止于此。

1：汽車 EMI/EMC 測試標(biāo)準(zhǔn) ISO7637-2

由于經(jīng)常要在高溫、振動(dòng)等條件下工作，汽車電氣系統(tǒng)的環(huán)境非常復(fù)雜和惡劣，可能經(jīng)常發(fā)生電氣系統(tǒng)故障，如交流發(fā)電機(jī)過電壓，連接系統(tǒng)斷路等。為了驗(yàn)證沿電源的瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾對高邊驅(qū)動(dòng)的影響，圣邦依照 ISO 7637-2 標(biāo)準(zhǔn)，測試了 SGM42203Q 在 12V 和 24V 電池系統(tǒng)供電下空載/帶負(fù)載等不同組合情況的表現(xiàn)。圖 5 至圖 10 分別顯示了 SGM42203Q 在模擬 P1 負(fù)脈沖、P2a 正脈沖、P3a 負(fù)脈沖、P3b 正脈沖、P4 反向電壓和 P5b 拋負(fù)載脈沖時(shí)，高邊驅(qū)動(dòng)開關(guān)功能均表現(xiàn)正常。

2：BCI 大電流注入干擾的評估

在實(shí)際應(yīng)用場景中，汽車不同功能車載零部件的連接線纜一般會(huì)捆扎在一起，會(huì)導(dǎo)致不同線纜之間產(chǎn)生不同頻段的電磁干擾信號(hào)相互耦合，極端情況下受到干擾的零部件會(huì)失效[5]。因此，圣邦采用模擬注入 RF 信號(hào)到被測產(chǎn)品電源線或信號(hào)線時(shí)，BCI 大電流注入干擾的評估方法，按照 ISO 11452-4 標(biāo)準(zhǔn)，在 12V/24V 電池供電下，最高等級(jí) 4，分別測試了不同距離下（150mm、450mm、750mm）共模干擾和差模干擾注入，對高邊驅(qū)動(dòng)帶不同負(fù)載時(shí)的功能影響。表 3 為 BCI 大電流注入測試條件。

表 3 高邊驅(qū)動(dòng) BCI 大電流注入測試條件

3：AEC-Q100-012 重復(fù)短路次數(shù)和 SOA 壽命測試

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說到汽車系統(tǒng)應(yīng)用中高頻易發(fā)的惡劣情況，各種短路事件是無法避免的。由于汽車采用車身金屬架構(gòu)作為整個(gè)接地平面，所以更容易出現(xiàn)搭鐵短路。按照 AEC-Q100-012 標(biāo)準(zhǔn)，對 SGM42203Q 進(jìn)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(guān)短路、PWM 脈沖重復(fù)開關(guān)短路、熱插拔短路等在長脈沖（300ms）、短脈沖（10ms）下的重復(fù)短路等一系列測試。

圖 11 高邊驅(qū)動(dòng)等效短路測試電路

表 4 高邊驅(qū)動(dòng)等效短路測試條件

4：正在進(jìn)行按照 ZVEI 通用 IC EMC IEC 61967-4 標(biāo)準(zhǔn)測試

圣邦的高邊驅(qū)動(dòng)不僅具備基本驅(qū)動(dòng)保護(hù)功能，還通過了上述的各種 EMC 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證、極端應(yīng)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(guī)范中的 IEC 61967-4 標(biāo)準(zhǔn)，對 SGM42203Q 進(jìn)行電磁傳導(dǎo)發(fā)射的測量。參考 IEC 62132-4 標(biāo)準(zhǔn)，采用射頻功率注入法，測試高邊驅(qū)動(dòng)的電磁注入抗擾度。參考 IEC 62215-3 標(biāo)準(zhǔn)，對高邊驅(qū)動(dòng)芯片電磁瞬態(tài)抗擾度進(jìn)行試驗(yàn)。本著“要做車規(guī)芯片，先把車規(guī)放心里”的原則，在惡劣環(huán)境下每項(xiàng)測試，都是為了確保車規(guī)高邊驅(qū)動(dòng)芯片在汽車系統(tǒng)應(yīng)用中的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。

除了通過上述的嚴(yán)格的車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)測試，SGM42203Q 還有其他功能上的優(yōu)勢（詳見表 5）。

表 5 SGM42202Q/3Q 主要優(yōu)勢

高邊驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品已經(jīng)存在近十年時(shí)間，但仍具有很高的技術(shù)壁壘。隨著新能源汽車的發(fā)展以及汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)對于高可靠性、智能化等特點(diǎn)的需求，高邊驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品也需要不斷更新迭代，如何判斷其未來應(yīng)用發(fā)展趨勢對于迅速占據(jù)潛在市場來說至關(guān)重要。為此圣邦微電子一直在努力，我們會(huì)推出更多符合未來汽車市場需求的高可靠高邊驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。

以下為圣邦近期提供的汽車級(jí)驅(qū)動(dòng)類產(chǎn)品系列，歡迎來電洽談！

表 6 圣邦高低邊驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品路線圖

表 7 圣邦 MOSFET 驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品路線圖

參考文獻(xiàn)

[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(guān) [EB/OL]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/315128197.

[3] 國產(chǎn)芯片怎么做車規(guī)認(rèn)證 [EB/OL]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/596491367.

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

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

（來源：圣邦微電子）