意法半导体（ST）的汽车照明用智能功率开关

多年来，节省成本、可靠性和容错需求是在汽车系统中推广应用智能功率器件的主要动力。智能功率固态开关被广泛用于电源管理目的，因为系统诊断和容错能力是电源管理的必备功能。例如，在车身电子产品中，智能功率固态开关被广泛用于车身控制模块，驱动汽车内外照明系统以及感应负载，如电磁阀和各种电机。

意法半导体开发车用智能功率技术已有15年的历史，现在VIPower M0TM IPS（智能功率开关I）产品已经进化到第五代。

ST拥有单路和多路上桥臂和下桥臂驱动器，每款产品都具有不同的诊断和保护特性，可完全满足汽车照明系统的全部需求。VIPower M0-5、M0-5E和M0-5M系列产品为客户提供多种不同的导通电阻和封装选择，RdsON从4mΩ到250mΩ，封装包括ST独有的PowerSSO-12/16/24/36和HPAK。

1. 前言

近十年来，接线盒的功能从机电保险盒的概念向高度智能的复杂的整车配电开关单元的发展趋势，为固态智能功率开关向汽车市场渗透提供了一个绝佳的机会。  

日益严格的市场要求和立法要求迫使设备厂商需要更复杂的功能。从高档豪华汽车到入门的紧凑型汽车，除强调电源管理的节能特性外，各种车用智能接线盒还广泛使用智能功率开关，可以说接线盒已经离不开智能功率开关。  

在车身电子应用领域，车身控制模块是厂家关注的重点，智能功率开关被广泛用于驱动内外车灯和各种电机以及感应负载。因为具有智能保护功能，智能功率开关还有助于进一步降低线束的重量。  

由于汽车电子环境十分恶劣，一个快速的诊断回路对这些器件起到重要作用。

最新的M0-5E系列上桥臂驱动器所采用的最重要的保护技术值得我们认真了解一下。

2. 驱动汽车电子负载的VIPower上桥臂驱动器

图1是一个先进的车用智能功率开关的框图。

图1:采用ST的VIPower M0TM技术的先进车用智能功率开关结构框图。

用VIPower HSD驱动汽车电子负载意味着需要考虑下列因素:

·负载监视
·涌流处理
·感应能源处理
·功耗:

2.1 负载监视

负载状态反馈是智能功率开关的最适用的特性之一。

ST M0TM 器件配备一支模拟电流检测引脚或者一支数字状态引脚；前者向外部输出与负载电流成正比的输出电流；后者提供一个与逻辑电路兼容的输出信号（开漏）。

通过反馈信号的方法，可以反复查看负载工作是否正常，是否处于失效状态，如短路、负载断开和超载。

所有的失效事件都可以在通态下检测出来，不过，M0-5和M0-5E两个系列产品还提供断态诊断功能。

电流检测引脚可实时监视负载电流，当发生失效事件时，检测引脚输出就会变成一个诊断标志。

如果连续的电流负载监测不是一个必备功能外，我们还为客户提供配备数字诊断功能的各种产品。
下表描述了每个系列产品的诊断功能。


图2. ST VIPower M0TM 系列产品的诊断功能

2.2 功耗

散热设计涉及的主要参数总结如下：

·RON 是芯片内置的MOSFET的导通电阻。
·ILoad 是额定负载电流。
·RThj-a 是器件与外界之间的热阻。
·开关次数
·开关频率

所有这些参数之间的相互关系可以用下面的方程表示：


(方程1)


(方程2)

散热设计的目标是避免器件达到最高结温，同时防止印刷电路板达到最高温度。

涌流处理

直到车灯的“启辉”阶段完成后，通过车灯的电流才能视为恒流。涌流可以持续几毫秒，启辉阶段的主要特点是电流会上升到一个大于额定电流值的水平：大约是额定电流的10倍。

这意味着在车灯刚一接通时，上桥臂驱动器（HSD）必须能够承受这么大的电流，而且，强电流还会产生一个快速的热瞬变事件，接着在芯片上产生一个热机械应力。

图3是一个上桥臂驱动器的安全工作区(SOA)。



图3. HSD:安全工作区

该器件的工作电流应该始终低于“额定负载线”的电流，以免被烧毁。工作电流短暂超过“额定负载线”电流是可以的，但是， 器件内部的保护功能必须激活，以便处理异常状况。

我们可以证明，在初始瞬变期间，温度差值越小，该器件在失效前能够维持的激活次数越多。

图4是表示温度差delta_Temperature与开关次数k-cycles之间关系的量化图。



图4. 开关次数k-cycles对温度度差delta_Temperature

2.3 主动功率限制

ST M0-5、M0-5E和M0-5M上桥臂驱动器都采用一个新的保护策略，使器件甚至可以在异常情况下安全接通，同时去除在芯片上产生的应力。

这个所谓的“主功率限制”电路包括可以抑制在车灯浪涌或超负载期间发生的快速热瞬变事件的自限制电路。该电路可以确保器件承受甚至在极端条件下承受冷启动灯泡的涌流，不会对可靠性产生任何影响。快速的干扰不会触发保护电路，该器件可以安全承受这类干扰，始终尝试接通负载，确保功能正常运行，没有不必要的关断操作。  

图5是一个采用主动功率限制方法处理异常涌流的示例。



图5. 功率限制