关于高边功率开关的性能分析和应用介绍

汽车中半导体器件主要是三大类：传感器，MCU和功率半导体。其中，功率半导体主要运用在动力控制系统、照明系统、燃油喷射、底盘安全等系统当中。并且，随着汽车电动化、智能化、舒适化趋势带来汽车中单机功率半导体价值量提升，共同驱动汽车对功率半导体的需求，未来3~5年增速约为8%。

汽车功率半导体涵盖的范围很宽，从高、低压MOSFET、到带有集成保护电路和诊断功能的高边、低边和桥式开关、电源调整IC，一直到用于ABS和安全气囊等安全系统的高集成ASIC。

汽车制造商希望车载电子系统能在尽可能小的空间大幅提高能源效率。高边开关是模拟电路和强劲的负载/输出驱动器的高效集成，能够提高系统效率，节约成本，他们于微控制器在一起为各种负载如马达，照明，传动器等等提供必要的保护和控制。

约25年前，市面上出现首款PROFET产品(PROtected mosFET，保护型MOSFET)，意味各种不同汽车车体应用的继电器与保险丝，终于出现替代选择。

英飞凌智能高边开关家族产品—PROFET，在全球车厂得到了广泛应用。让我们来以其为例，解析一下智能高边开关的特性、应用场合、内部结构和工作模式。

1.什么是PROFET？

PROFET = PROtected mosFET， 带保护功能的MOS管。它是英飞凌的高度集成高边开关家族，具有广泛的智能特性，包括复杂诊断和保护能力。大电流的 PROFET 功率开关包含了一个 DMOS 功率 MOSFET 和 CMOS 逻辑电路。

2.PROFET可以用于哪些应用？

它，专为严苛汽车环境下控制所有负载类型包括阻性负载，感性负载及容性负载而设计。这些开关的保护范围极广，如过载，过温，所有类型的汽车和工业应用中的短路情况。

3.在应用中如何决定是否需要高边开关？

在典型的汽车系统中，由一个单一的电源电压 Vbb (也叫 VBATTERY 或 VBAT)组成电源网络。如图所示，有五种可能的汽车开关配置方案可以接通或断开电气负载。

高边开关在其中的多个汽车开关配置中扮演着重要角色。这些高边开关因各种原因在世界范围内应用于汽车领域：负载驱动，诊断性能，减缓短路故障对系统影响的能力，以及相对较低的系统成本。

4.PROFET高边开关的内部结构

PROFET高边开关是如何完成负载驱动以及诊断功能的呢？

让我们来看一下高度图形化的PROFET高边开关内部结构。

高边开关上的 IS 引脚是模拟电流检测信号，可被电子控制单元（ECU)内的微处理器监测。电流检测信号值与负载电流 IL 成比例。电流检测在高边开关内部执行，在故障发生时进行诊断和保护，高边电流检测用于保护负载和线束，诊断负载以确保合理操作，且测量输出电流以控制输出功率。 

5.高边开关有哪些操作模式？要注意些什么？

在汽车领域，当电源供电电压 Vbb 高于输出负载电压 VOUT 时，即为正常操作模式。某些临时状况可能导致电源电压低于输出负载电压，此为反流模式或反向电流状况。另外（如更换电池或助推启动时），电池的极性可能反向，此为反接模式或反接电池电极状况。

a.正常模式

正常操作模式下，电池电极方向连接正确,且电池电压 Vbb 高于或等于输出负载电压 VOUT。

因为 Vbb ≥ VOUT，MOSFET 本征二极管反向偏压,因此不导通。此时，如果微处理器断开高边开关,没有电流经MOSFET 流向任何方向。如果微处理器闭合高边开关，电流则从电池流经(传统意义上)MOSFET,然后到达负载。

b.反流模式

有些情况下,根据被控制的负载类型和特定应用,瞬时状况可能造成电池电压 Vbb 低于输出负载电压 VOUT，此即为反流模式或反向电流状况。

反流模式状况的特征是正极供电电压+Vbb 低于输出负载电压 VOUT 从而导致负载电流–IL 流向与正常负载电流流向相反。

单纯的阻性负载不会造成反流模式状况。只有容性负载或感性负载才会造成此种情况。同时注意反流模式情况是瞬间的。

以下可造成反流模式情况: 高边开关正在控制的负载可作为一个发电机操作。典型此类负载是感应电机。Vbb 瞬间下降时,电机在这个瞬间期间作为发电机,从而提供的电压比电池电压高。 

c. 反接模式

更换汽车电池或者维护汽车电子系统，需要断开电池并重新连接电池。重新接上电池时，电池的两极可能装反，此即被称之为反接模式或反接电池两极状况。 

虽然当今汽车电池端子有标志且有颜色编码，但反接模式状况还是存在。一个可能导致反接模式状况发生的情况就是当试图助推启动汽车时，错误连接跨接电缆两极。反接电池情况很可能损害汽车电子系统。这意味着必须阻止电子控制单元（ECUs）发生反接模式状况。一个非常典型的工业应用要求就是在 25 度温度下，ECU 可承受-14V 的反接模式状况一分钟。