有利于满足新汽车标准的智能高端驱动器

为了帮助满足严苛的排放和燃油经济性标准，汽车制造商越来越多地转向电子元件寻求帮助。许多以前的机械操作，如液压辅助动力转向，正在被电动机取代;其他功能正在结合，产生了诸如集成启动器/交流发电机（ISA）之类的组件。

新的电子模块付出了代价：它们对传统的12 V电源系统提出了额外的要求，特别是在当电池驱动的起动电机必须旋转发动机直到燃烧开始时，起动操作。在此期间的大电流消耗将电池电压降低到其正常水平的一小部分。冷温会使问题变得更严重，因为它会增加油的粘度，从而增加电池的负载，进一步降低电压。

最近引入停止/启动技术，自动关闭发动机以减少当车辆处于红灯怠速或交通堵塞时，排放和节省燃气，由于大量的曲柄事件，使得控制电池电压的任务更加困难。

设计复杂性更加复杂严格的汽车模块操作和功能标准，必须在曲柄期间满足，以确保安全性，更好的驾驶员体验，或两者兼而有之。

更严格的测试反映新的要求

作为汽车电子元件数量增加，标准机构，如国际标准组织（ISO）和汽车工程师协会（SAE）正在加强与起动事件有关的资格测试。图1显示了模拟发动机曲轴的电压随时间变化的典型测试曲线。最初电压为VB，表示静态条件下的电池电压。当模拟发动机开始翻转时，模拟电池上的负载增加，导致测试电压降至VT的低电平，在此时间t4保持时间直到缓慢恢复。

图1：典型的冷启动测试曲线有几个部分对应于从初始接通到发动机启动的不同曲柄级。 （图片由意法半导体提供）

ISO已发布了一套广泛采用的涵盖汽车电气环境的标准。他们的ISO 7637-2（测试脉冲4）模拟起动事件。

在欧洲，包括保时捷，大众，宝马和奥迪在内的德国制造商联盟开发了LV 124测试标准。 LV124 E-11启动脉冲测试有两个级别，“正常”和“严重”;每一个都根据图1所示的启动曲线定义一组特定的电压电平和时间。在“严重”测试中，器件必须在VT低至3 V时工作。

半导体如继电器更换

即使在增加电子内容之前，半导体驱动器也在逐渐取代汽车中的机电继电器。尽管继电器在20 A以上的负载下仍然很受欢迎，但它们体积庞大，在运行期间消耗大量功率，是开/关设备，无法适应复杂的诊断和保护策略。

作为继电器替代品，半导体驱动器在以下情况下特别具有吸引力：

轻负载小于1

需要PWM控制的负载，如可调光灯，变速电机，需要软启动运行的负载

具有复杂诊断或监控要求的负载

高侧开关负载低于20 A

高端驱动器与低端驱动器

图2：低端驱动器配置（a）最适合动力总成负载如电机和加热器，而高侧驱动器配置（b）更适合燃油泵和车身相关功能，如座椅，照明，雨刷和风扇。 （图片由安森美半导体提供）

驱动负载有两种基本方法（图2）。低侧驱动器放置在负载和地之间，而高侧驱动器（如图2（b）所示）放置在负载和电源电压之间。低侧驱动器通常用于与动力总成相关的负载，例如电机，螺线管和加热器。高侧驱动器用于燃油泵和车身相关功能，如座椅，照明，雨刷和风扇。

这两个驱动器的主要区别在于它们对故障状况的响应。在汽车中，由于接地的金属板无处不在，因此短路接地故障比短路电源故障更容易发生。对于低侧驱动器，短接地条件将永久地打开负载。对于高端驱动器，它会将驱动器输出短接到地，因此驱动器需要保护电路。

相反的情况将适用于短路电源故障：低端驱动器将被短路到供电和需要保护，而高端负载将永久开启。

这种不同的响应决定了一个驱动器在另一个驱动器上的使用;例如，在带有低侧驾驶员的燃油泵中，由于碰撞导致的对地短路可能会对燃油泵造成潜在的灾难性后果。

低侧驾驶员已经自20世纪80年代以来广泛用于发动机和变速器控制，但高端驱动器的广泛采用是相当新的。最初使用的是车身功能，如电动马达或镜子，但最近主要因素是LED照明的扩展。从最初的内饰使用来看，LED照明已经扩展到转向灯和刹车灯，现在正在大灯中出现。汽车LED大灯系统通常由高侧智能LED驱动器组成，控制串联串联的多个LED。

智能高侧驱动器设计

高端设计驱动程序比同等的低端设备复杂一些;一个原因是它通常使用n沟道MOSFET（NMOSFET）作为功率元件。 NMOSFET是优选的，因为它们可以制造得比p沟道器件更小且更便宜，以获得相同的性能。但是，NMOSFET通过将栅极电压升高到漏极电压以上而导通。在汽车应用中，漏极电压通常是系统中的最高电压（即电池电压），因此需要使用电荷泵将栅极电压提升到足够的水平。

组合控制由于封装或工艺限制，驱动器IC与低导通电阻分立MOSFET配合使用是第一种方法，但较新的器件已将两种器件集成到一个封装中。

例如，意法半导体采用的制造工艺允许在同一芯片上集成数字或模拟控制电路和垂直功率晶体管（图3）。在VIPower的名称下，该技术生产出一种单片硅芯片，它将控制和保护电路与标准功率MOSFET结构相结合，其中功率级电流垂直流过硅片。

图3：STMicroelectronics的VIPower高端功率驱动器IC将NMOS控制电路与垂直DMOS功率晶体管相结合。显示的是第一代（M0）设备的结构; VIPower系列现在达到M7级别。 （图片由STMicroelectronics提供）

完整的VIPower系列现在包括600多种具有多种可选功能的设备。图4显示了一个VIPower器件的框图，以及四个可能的选项：

反向电池保护，允许自动开启功率MOSFET

最多四个通道集成功率MOSFET

扩展监控选项

可配置自动重启或闩锁

示例设备VND7140AJ12是双通道高端驱动器采用电源SSO-12封装。该器件通过3 V和5 V CMOS兼容接口驱动12 V汽车接地负载。它提供保护和诊断功能，如负载电流限制，电源过载的主动管理和过温关断。

电流检测引脚输出与负载电流成比例的高精度电流。它还表示检测到过载，接地短路或电源电压或开路负载等故障情况。检测使能引脚允许在低功耗模式下禁用关断状态诊断功能。

图4：VIPower HSD架构包含广泛的功能一系列诊断和保护功能。 （图片由STMicroelectronics提供）

VND7140AJ12设计用于在没有外部元件的发动机启动脉冲期间工作。特别地，该部件在LV 124 E-11测试期间和之后满足“正常”和“严重”起始脉冲的所有功能。此性能被归类为“功能状态A”，最高级别。

其他制造商采用不同的方法进行智能驱动程序集成。英飞凌科技的PROFET系列智能高端开关将DMOS功率晶体管与CMOS逻辑电路结合使用，采用“芯片上芯片”技术，逻辑IC安装在功率晶体管的顶部。

PROFET器件具有广泛的故障诊断功能，可提供过载，短路，过热，接地损耗，电源损耗和静电放电（ESD）保护。它们还能够防止动态过压事件，例如负载突降和感性负载关闭。例如，BTS442E2的最大导通电阻为18mΩ，最大工作电压为42 V，典型负载电流为21 A.

图5：BTS442E2 PROFET智能高端驱动器采用“芯片上芯片”封装技术，在单个封装中具有两个独立的芯片。 （图片由英飞凌科技公司提供）

PROFET系列有多种不同的订购选择，包括微型功率封装的miniPROFET系列。例如，BSP452CT-ND是一款单通道器件，具有160mΩ电源开关，可输出高达700 mA的电流;它采用SOT223-4封装。

其他高端分区选项

还有其他选项可满足LV 124和ISO7637-2冷启动要求。由于并不总是能够找到能够在最低测试电压下工作并满足所有其他应用要求的高端驱动器，因此一种选择是使用降压 - 升压DC-DC转换器将电源电压维持在可接受的水平例如，德州仪器（TI）的LM5118可以在冷启动事件期间保持输出稳压，输入电压低至2.5 V.

采用这种方法的一种解决方案可以将LM8115与高端驱动器配对例如TI的TPS2022DRG4Q1。该高端器件具有33mΩMOSFET开关，包括短路保护，热保护和欠压锁定。幸运的是，TPS202x系列提供了多种选择。

结论

虽然低端驱动器已经使用多年，但提供高端输出的智能功率驱动器越来越多地被用于汽车应用，特别是座椅，镜子和LED照明等车身功能。

此外，为了推动设计要求并行工作，需要在冷启动条件下保持运行，从而产生新的，更严格的标准，例如最新的ISO7637-2和LV 124测试。值得庆幸的是，制造商已采用新一代驱动程序和设计选项来帮助设计人员应对这些新挑战。