【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)級高邊驅動（High-side Driver, HSD）在車身負載驅動中的大規(guī)模應用。
深入淺出——了解高邊驅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)級高邊驅動（High-side Driver, HSD）在車身負載驅動中的大規(guī)模應用。
在汽車應用領域，高邊驅動主要用于對車燈、閥門、泵、電機等負載的驅動與開關，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。
目前關于高邊驅動，汽車行業(yè)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(wěn)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 tLAMP?ON 描述了達到穩(wěn)定狀態(tài)的轉變時間。一般認為 IINRUSH 是 IDC 的 10 倍。當驅動電流降至小于 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，同樣表現為感性特點。高邊驅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，高邊驅動輸出端將瞬間產生數百伏負電壓。由于關斷負壓幅度大小與感性負載中退磁能量成正相關，高邊驅動內部的 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，瞬間關斷產生的退磁耗散能量是否在高壓側器件承受范圍內，也決定著退磁關斷是否會燒毀高邊驅動。
那么為了應對這些負載驅動時的挑戰(zhàn)，一顆好的高邊驅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(guī)級高邊驅動芯片了嗎？
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），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前，往往要經過一系列嚴格的可靠性測試，以確保產品可靠性達到車規(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動 SGM42202Q/3Q 系列產品具備 4.5V 至 36V 寬電壓輸入范圍，75mΩ 低導通內阻，22A 最高限流值，并且可根據應用需求配置多檔限流臺階（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 單元等系統(tǒng)得到廣泛應用。
SGM42203Q 的低導通內阻和可調節(jié)限流檔位特性，可以開關驅動汽車系統(tǒng)中多種阻性負載；通過改變外置電容器和電阻器常數可以自由調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，與理論值近似。這也為驅動感性負載時提供一定的退磁耗散能力，驅動關斷耗散能量在高邊驅動承受范圍之內的負載時，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。
實現基本的保護功能只是第一步，圣邦對于車規(guī)級高邊驅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。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，高邊驅動開關功能均表現正常。
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 重復短路次數和 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作為整個接地平面，所以更容易出現搭鐵短路。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
圣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(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(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(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，高邊驅動產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動產品。
以下為圣邦近期提供的汽車級驅動類產品系列，歡迎來電洽談！
表 6 圣邦高低邊驅動產品路線圖
表 7 圣邦 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] 國產芯片怎么做車規(guī)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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