垂直单晶工艺在高边驱动芯片过流和过温保护中的作用-电子发烧友网

前言

高边驱动芯片作为汽车电子中负载控制各类负载开关的重要器件，包含很多不同的保护和诊断功能。其中过温和过流保护无疑是最重要的。目前整车上发生的高边失效（甚至是芯片烧毁），大多是因为高边驱动芯片的保护策略和能力与应用不匹配造成的。

本文结合易冲半导体的高边CPSQ54xx系列详细解释垂直单晶工艺对高边驱动芯片过温过流保护的加成左右，希望能给广大汽车电子设计工程师在方案设计时带来一定帮助。

高边芯片的过流保护策略简析

市场上的高边驱动芯片最早主要来自两家国际半导体公司。保护策略分别有采用有限次pulse和无限次pulse的设计，国内各家也基本采用与之相同或类似的思路设计。下面我们主要讨论垂直单晶工艺在其中起到的影响和作用。

垂直单晶工艺在过流保护中对高边驱动芯片保护能力的影响

不管是用哪种策略对芯片过流过温工况进行保护，本质上的目的都是在流经高边驱动芯片的MOSFET上的电流将芯片烧损前关断MOSFET，所以能不能有效保护芯片，主要取决于三点： 芯片自身能抗住的能量总量是否够强 ， 短路电路在检知到过流工况后能否在能量累积到芯片能力边界前关断，以及关断时的能量耗散边界有多大 。下面通过易冲半导体的高边驱动芯片CPSQ54xx系列产品特性出发，分别讨论垂直单晶工艺在过温过流发生前，发生时和发生后三个时间段给芯片的过温过流保护带来的影响。

2.1 垂直单晶工艺对保护动作发生前累积能量及耗散能力的影响

为了保证在短路测试中高边驱动芯片可以安全存活，一个最朴素的想法肯定是过流保护阈值越低越好，但是如果把过流保护阈值放得很低，就会严重影响很多对inrush电流有高要求的应用场景，比较典型的就是卤素灯应用和各种输入端有大电容的负载模块。所以在既有保护策略基础上，肯定是希望电流保护点越高越好。在开关速度一致(电流上升速度近似)以及过流保护点近似的情况下，保护发生前，相同阻抗的高边驱动芯片上累积的能量也是近似的。芯片在能量累积的同时也在进行散热，合封产品的MOSFET和控制晶圆一般是通过bonding线连接的，所以用于散热的面积主要是MOSFET自己，单晶工艺的电路晶圆只有一个，即使在都加入RDL的情况下，合封产品的散热面积显然不如单晶。如图1(左为易冲半导体双通道8毫欧高边驱动芯片CPSQ54D08的单晶打线图，右为同样双通道的多晶合封产品打线图)，CPSQ54D08在单晶设计的基础上还采用了垂直工艺设计整个电路，使得在相同面积下的MOSFET阻抗更小，能量累积也更低。而更强的散热能力除了在过流保护中起到作用，对芯片允许的额定工作电流也影响巨大。

图1

2.2 垂直单晶工艺对保护动作发生时芯片反应速度的影响

在芯片本身对能量的累积-耗散能力得到保障的同时，一旦检测到保护信号还需要过温和过流信息能够快速的传递到控制电路，并由控制电路做出反馈关断MOSFET。

在图1中可以看到多晶合封产品的控制电路(中间深色的晶圆)和MOSFET(上下俩个浅灰色的晶圆)之间通过打线传输信号。传输的信号就包含上述的MOSFET上检测到的过流过热信号和控制电路发出的开关管控制信号，虽然电信号的传递速度很快，但是保护过程中的相对过温信号传递速度对芯片的保护至关重要，而温度信息通过打线上传输的过程中还要面对耗散和迟滞，往往过温保护中一点点的延迟就会带来MOSFET的烧损毁灭。所以很多合封产品的方案只能选择降低相对过温和过流的保护点，但这又会牺牲芯片带动容性负载和卤素灯的能力。

CPSQ54xx系列高边全系的过流点都接近于对应导通阻抗范围的BTS70xx系列，主要原因就是二者都为单晶工艺，过温过流保护速度相对迅速，可以在过温过流发生时即刻关断MOSFET。

2.3垂直单晶工艺对保护动作发生后承受关断能量的影响

因为短路发生时OUT引脚和GND之间可能有不同的电感，芯片输出迅速关断的过程中电感两侧可能由于电流的快速变化产生感应电压，进而在芯片OUT引脚形成一个很大的负压，VCC和VOUT之间的电压差一般会达到35V以上，所以各家高边芯片都做了VdsClamp功能钳位这个电压。Vds电压和输出电流决定了关断能量。

由于芯片可以承受的关断能量存在极限，所以在不同电感下允许关断的电流是不同的，电感越小，允许的关断电流就越大。最终芯片能承受的能力大小和不同工艺下MOSFET本身能力是息息相关的。CPS54D08的关断钳位波形如图2。

图2

垂直单晶工艺在避免误保护风险中的作用

在保护功能能够可靠的保护芯片以及满足各种应用场景的基础上，还需要对保护功能的误触发进行关注。尤其是在一些要求较高的车规EMC测试环境下，PTI(手持发射机抗扰度), RI(辐射抗扰度), CI(瞬态传导抗干扰)等种种不同的外加干扰会对芯片的正常工作提出挑战。如果在干扰过程中保护动作误触发，必然导致功能短暂或长期的失效。

图1中可以看到在抗干扰方面，易冲半导体的CPSQ54xx高边系列因为采用垂直单晶工艺，避免了在晶圆外部传输敏感信号，天生对EMC中的各种干扰有良好的屏蔽作用。图3和图4来自CPSQ54D08的CI和RI测试摸底报告。测试环境均为额定电流负载测试。