【導讀】隨著汽車電子技術發(fā)展，電動化，輕量化與智能化需求帶動了車規(guī)級高邊驅(qū)動（High-side Driver, HSD）在車身負載驅(qū)動中的大規(guī)模應用。
深入淺出——了解高邊驅(qū)動在汽車應用中的挑戰(zhàn)
隨著汽車電子技術發(fā)展，電動化，輕量化與智能化需求帶動了車規(guī)級高邊驅(qū)動（High-side Driver, HSD）在車身負載驅(qū)動中的大規(guī)模應用。
在汽車應用領域，高邊驅(qū)動主要用于對車燈、閥門、泵、電機等負載的驅(qū)動與開關，并監(jiān)控負載在開關過程中的短路和開路，電流和電壓等情況，對負載進行保護和診斷，同時，高邊驅(qū)動集成鉗位關斷功能，為開關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，從而降低設計難度，降低電池能耗，節(jié)省系統(tǒng)成本。
目前關于高邊驅(qū)動，汽車行業(yè)主要關注其驅(qū)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(wěn)定，考驗高邊驅(qū)動的導通內(nèi)阻。高邊驅(qū)動器的內(nèi)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(chǎn)生較大的浪涌電流。以鹵素燈負載為例，通常車燈負載特性和浪涌電流由 IDC，IINRUSH 和 tLAMP?ON 三個參數(shù)描述。IDC 定義了穩(wěn)定狀態(tài)時的消耗電流，IINRUSH 是初始浪涌電流，同時，時間常數(shù) tLAMP?ON 描述了達到穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變時間。一般認為 IINRUSH 是 IDC 的 10 倍。當驅(qū)動電流降至小于 IINRUSH 一半時，車燈達到打開狀態(tài)，這段時間定義為 tLAMP?ON。如果高邊驅(qū)動存在因為浪涌電流導致的短路保護和開啟重試，則 tLAMP?ON 定義為從開始到最后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℃）。而實際工作電流往往遠小于浪涌電流，所以針對容性負載的限流保護設計是一個挑戰(zhàn)。
最復雜的是感性負載。汽車電子系統(tǒng)中常見感性負載主要有：變速箱控制模塊（TCU）應用中的執(zhí)行器，如電機、電磁閥等；車身控制模塊（BCM）中的執(zhí)行器，如雨刮、繼電器、風機、水泵、油泵等，同樣表現(xiàn)為感性特點。高邊驅(qū)動在應對感性負載關斷時，需要通過續(xù)流保護維持感性負載電流流向不變，但如果負載兩端的電壓極性突然翻轉(zhuǎn)，高邊驅(qū)動輸出端將瞬間產(chǎn)生數(shù)百伏負電壓。由于關斷負壓幅度大小與感性負載中退磁能量成正相關，高邊驅(qū)動內(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 將面臨被損毀的風險[2]。與此同時，瞬間關斷產(chǎn)生的退磁耗散能量是否在高壓側(cè)器件承受范圍內(nèi)，也決定著退磁關斷是否會燒毀高邊驅(qū)動。
那么為了應對這些負載驅(qū)動時的挑戰(zhàn)，一顆好的高邊驅(qū)動芯片需要具備哪些特點呢？通常，汽車應用除了正常的開關和驅(qū)動能力，還主要從保護功能和負載診斷進行評估。典型評估項目如表 1 所示。
表 1 高邊驅(qū)動典型評估項目
實現(xiàn)上述開關驅(qū)動、功能保護和故障診斷功能就是一顆完善的車規(guī)級高邊驅(qū)動芯片了嗎？
汽車應用系統(tǒng)的運行環(huán)境復雜又惡劣，若要確保汽車芯片長時間無故障運行，設計系統(tǒng)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(guī)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，對于 DPPM（每百萬缺陷中的不良品數(shù)），消費級芯片要求不超過 500 個缺陷，而車規(guī)級則要控制到不超過 10 個缺陷。
汽車用器件在投入量產(chǎn)前，往往要經(jīng)過一系列嚴格的可靠性測試，以確保產(chǎn)品可靠性達到車規(guī)要求。目前，業(yè)界常用的汽車系統(tǒng)認證標準有功能安全標準 ISO 26262、質(zhì)量管理體系認證 IATF16949、可靠性標準 AEC-Q 系列認證等[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 測試及標準
可見，車規(guī)級高邊驅(qū)動芯片為應對汽車應用中惡劣環(huán)境的挑戰(zhàn)，不僅要集開關驅(qū)動、功能保護和故障診斷等諸多功能于一體，還必須符合上述各類標準認證。所以，一顆車規(guī)級芯片要比工業(yè)級、消費級芯片更結(jié)實，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 SGM42202Q/3Q 系列產(chǎn)品具備 4.5V 至 36V 寬電壓輸入范圍，75mΩ 低導通內(nèi)阻，22A 最高限流值，并且可根據(jù)應用需求配置多檔限流臺階（2.5A/5A/10A/15A/22A），內(nèi)置過流屏蔽時間設置引腳。器件采用單芯片實現(xiàn)，在汽車 BCM 模塊、ECU 單元等系統(tǒng)得到廣泛應用。
SGM42203Q 的低導通內(nèi)阻和可調(diào)節(jié)限流檔位特性，可以開關驅(qū)動汽車系統(tǒng)中多種阻性負載；通過改變外置電容器和電阻器常數(shù)可以自由調(diào)整浪涌電流的保護時間和穩(wěn)態(tài)電流限流設定值的特性，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)電流的時間，從而更快啟動車燈等容性負載。
如圖 1、圖 2 所示，高邊驅(qū)動集成了 60V 鉗位電路，相較于使用續(xù)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(qū)動、PWM 控制閥等，對關閉時間有嚴格要求時，也可以輕松應對；如圖 3、圖 4 所示，面對 300mH 電感負載驅(qū)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(jù)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，與理論值近似。這也為驅(qū)動感性負載時提供一定的退磁耗散能力，驅(qū)動關斷耗散能量在高邊驅(qū)動承受范圍之內(nèi)的負載時，不需要增加成本設計外部鉗位。
通過多功能 CS 引腳，SGM42203Q 集成了診斷和電流檢測輸出功能，不僅能在工作時進行實時電流采樣，還能在觸發(fā)故障時及時輸出 VSENSEH 高電平報錯，并通知控制單元。
實現(xiàn)基本的保護功能只是第一步，圣邦對于車規(guī)級高邊驅(qū)動芯片的要求遠不止于此。
1：汽車 EMI/EMC 測試標準 ISO7637-2
由于經(jīng)常要在高溫、振動等條件下工作，汽車電氣系統(tǒng)的環(huán)境非常復雜和惡劣，可能經(jīng)常發(fā)生電氣系統(tǒng)故障，如交流發(fā)電機過電壓，連接系統(tǒng)斷路等。為了驗證沿電源的瞬態(tài)傳導干擾對高邊驅(qū)動的影響，圣邦依照 ISO 7637-2 標準，測試了 SGM42203Q 在 12V 和 24V 電池系統(tǒng)供電下空載/帶負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 負脈沖、P2a 正脈沖、P3a 負脈沖、P3b 正脈沖、P4 反向電壓和 P5b 拋負載脈沖時，高邊驅(qū)動開關功能均表現(xiàn)正常。
2：BCI 大電流注入干擾的評估
在實際應用場景中，汽車不同功能車載零部件的連接線纜一般會捆扎在一起，會導致不同線纜之間產(chǎn)生不同頻段的電磁干擾信號相互耦合，極端情況下受到干擾的零部件會失效[5]。因此，圣邦采用模擬注入 RF 信號到被測產(chǎn)品電源線或信號線時，BCI 大電流注入干擾的評估方法，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）共模干擾和差模干擾注入，對高邊驅(qū)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(qū)動 BCI 大電流注入測試條件
3：AEC-Q100-012 重復短路次數(shù)和 SOA 壽命測試
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說到汽車系統(tǒng)應用中高頻易發(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)作為整個接地平面，所以更容易出現(xiàn)搭鐵短路。按照 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 脈沖重復開關短路、熱插拔短路等在長脈沖（300ms）、短脈沖（10ms）下的重復短路等一系列測試。
圖 11 高邊驅(qū)動等效短路測試電路
表 4 高邊驅(qū)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
圣邦的高邊驅(qū)動不僅具備基本驅(qū)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(guī)范中的 IEC 61967-4 標準，對 SGM42203Q 進行電磁傳導發(fā)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(qū)動的電磁注入抗擾度。參考 IEC 62215-3 標準，對高邊驅(qū)動芯片電磁瞬態(tài)抗擾度進行試驗。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)境下每項測試，都是為了確保車規(guī)高邊驅(qū)動芯片在汽車系統(tǒng)應用中的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。
除了通過上述的嚴格的車規(guī)標準測試，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)動產(chǎn)品已經(jīng)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(fā)展以及汽車應用設計對于高可靠性、智能化等特點的需求，高邊驅(qū)動產(chǎn)品也需要不斷更新迭代，如何判斷其未來應用發(fā)展趨勢對于迅速占據(jù)潛在市場來說至關重要。為此圣邦微電子一直在努力，我們會推出更多符合未來汽車市場需求的高可靠高邊驅(qū)動產(chǎn)品。
以下為圣邦近期提供的汽車級驅(qū)動類產(chǎn)品系列，歡迎來電洽談！
表 6 圣邦高低邊驅(qū)動產(chǎn)品路線圖
表 7 圣邦 MOSFET 驅(qū)動產(chǎn)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(chǎn)芯片怎么做車規(guī)認證 [EB/OL]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/596491367.
[4] 汽車電子產(chǎn)品EMC測試項目 [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）
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