高可靠高边驱动助力汽车应用

深入浅出——了解高边驱动在汽车应用中的挑战

随着汽车电子技术发展，电动化、轻量化与智能化需求带动了车规级高边驱动（High-side Driver, HSD）在车身负载驱动中的大规模应用。

在汽车应用领域，高边驱动主要用于对车灯、阀门、泵、电机等负载的驱动与开关，并监控负载在开关过程中的短路和开路，电流和电压等情况，对负载进行保护和诊断，同时，高边驱动集成钳位关断功能，为开关能量的处理能力提供了支持，不需要续流电流再循环路径，从而降低设计难度，降低电池能耗，节省系统成本。

目前关于高边驱动，汽车行业主要关注其驱动阻性、容性与感性等负载时的特性。

三大负载类型中，最单纯的是阻性负载（如PTC和座椅加热）。其负载特性比较稳定，考验高边驱动的导通内阻。高边驱动器的内阻越低，它所能带的阻性负载越大、额定电流越高。

容性负载在启动时会产生较大的浪涌电流。以卤素灯负载为例，通常车灯负载特性和浪涌电流由I_DC、I_INRUSH和t_LAMP−ON三个参数描述。I_DC定义了稳定状态时的消耗电流，I_INRUSH是初始浪涌电流，同时，时间常数t_LAMP−ON描述了达到稳定状态的转变时间。一般认为I_INRUSH是I_DC的10倍。当驱动电流降至小于I_INRUSH一半时，车灯达到打开状态，这段时间定义为t_LAMP−ON。如果高边驱动存在因为浪涌电流导致的短路保护和开启重试，则t_LAMP−ON定义为从开始到最后一次开启重试所需时间。在车灯设计中应该确保t_LAMP−ON不超过30ms^[1]。浪涌电流主要受灯丝温度影响，最差情况基本发生在-40℃，典型情况是在环境温度（+25℃）。而实际工作电流往往远小于浪涌电流，所以针对容性负载的限流保护设计是一个挑战。

最复杂的是感性负载。汽车电子系统中常见感性负载主要有：变速箱控制模块（TCU）应用中的执行器，如电机、电磁阀等；车身控制模块（BCM）中的执行器，如雨刮、继电器、风机、水泵、油泵等，同样表现为感性特点。高边驱动在应对感性负载关断时，需要通过续流保护维持感性负载电流流向不变，但如果负载两端的电压极性突然翻转，高边驱动输出端将瞬间产生数百伏负电压。由于关断负压幅度大小与感性负载中退磁能量成正相关，高边驱动内部的MOSFET DS端将承受巨大反向电压，如果未采取任何钳位措施，MOSFET将面临被损毁的风险^[2]。与此同时，瞬间关断产生的退磁耗散能量是否在高压侧器件承受范围内，也决定着退磁关断是否会烧毁高边驱动。

那么为了应对这些负载驱动时的挑战，一颗好的高边驱动芯片需要具备哪些特点呢？通常，汽车应用除了正常的开关和驱动能力，还主要从保护功能和负载诊断进行评估。典型评估项目如表1所示。

表1：高边驱动典型评估项目。

实现上述开关驱动、功能保护和故障诊断功能就是一颗完善的车规级高边驱动芯片了吗？

汽车应用系统的运行环境复杂又恶劣，若要确保汽车芯片长时间无故障运行，设计系统时就要考虑所有的紧急和极端情况，包括抛负载、冷启动、蓄电池极性反接、短路到地、失地、失电、双蓄电池跨接、尖峰钳位以及极端工作温度等。同时，车规级芯片要求使用寿命更长。大部分芯片随着汽车落地要保持10年以上安全可靠的工作。另外，容错率要求也更高，对于DPPM（每百万缺陷中的不良品数），消费级芯片要求不超过500个缺陷，而车规级则要控制到不超过10个缺陷。

汽车用器件在投入量产前，往往要经过一系列严格的可靠性测试，以确保产品可靠性达到车规要求。目前，业界常用的汽车系统认证标准有功能安全标准ISO 26262、质量管理体系认证IATF16949、可靠性标准AEC-Q系列认证等^[3]。常见汽车整车系统及芯片EMC检测如表2所示^[4]。

表2：整车EMC测试及标准。

可见，车规级高边驱动芯片为应对汽车应用中恶劣环境的挑战，不仅要集开关驱动、功能保护和故障诊断等诸多功能于一体，还必须符合上述各类标准认证。所以，一颗车规级芯片要比工业级、消费级芯片更结实，更可靠。

做车规芯片，先把车规放心里

圣邦微电子推出的高边驱动SGM42202Q/3Q系列产品具备4.5V至36V宽电压输入范围、75mΩ低导通内阻和22A最高限流值，并可根据应用需求配置多档限流台阶（2.5A/5A/10A/15A/22A），内置过流屏蔽时间设置引脚。器件采用单芯片实现，在汽车BCM模块和ECU单元等系统中得到广泛应用。

SGM42203Q的低导通内阻和可调节限流档位特性，可以开关驱动汽车系统中多种阻性负载；通过改变外置电容器和电阻器常数可以自由调整浪涌电流的保护时间和稳态电流限流设定值的特性，可在汽车系统中用于调节从瞬态电流到稳态电流的时间，从而更快启动车灯等容性负载。

如图1、图2所示，高边驱动集成了60V钳位电路，相较于使用续流二极管钳位关断，60V钳位电压极大地缩短了退磁关断时间t_DEMAG。在某些应用如：喷油器驱动、PWM控制阀等，对关闭时间有严格要求时，也可以轻松应对；如图3、图4所示，面对300mH电感负载驱动关断时，测量得出V_CLAMP电压为60V，关断退磁时间t_DEMAG为9.2ms，根据工程近似计算公式（1）可算出退磁能量E_AS为276mJ，而SGM42203Q实际关断测量得到退磁能量E_AS为262.5mJ，与理论值近似。这也为驱动感性负载时提供一定的退磁耗散能力，驱动关断耗散能量在高边驱动承受范围之内的负载时，不需要增加成本设计外部钳位。

通过多功能CS引脚，SGM42203Q集成了诊断和电流检测输出功能，不仅能在工作时进行实时电流采样，还能在触发故障时及时输出V_SENSEH高电平报错，并通知控制单元。

图1：感性负载关断钳位。

图2：感性负载关断续流二极管钳位。

图3：感性负载1A关断。

图4：感性负载关断退磁能量耗散。

备注1：图1至图4测试条件为V_CC=24V，T_J=+25℃时，单脉冲关断300mH感性负载。

实现基本的保护功能只是第一步，圣邦对于客户的车规级高边驱动芯片的系统应用做了充分的测试。

1：汽车EMI/EMC测试标准ISO7637-2

由于经常要在高温、振动等条件下工作，汽车电气系统的环境非常复杂和恶劣，可能经常发生电气系统故障，如交流发电机过电压，连接系统断路等。为了验证沿电源的瞬态传导干扰对高边驱动的影响，圣邦依照ISO 7637-2标准，测试了SGM42203Q在12V和24V电池系统供电下空载/带负载等不同组合情况的表现。图5至图10分别显示了SGM42203Q在模拟P1负脉冲、P2a正脉冲、P3a负脉冲、P3b正脉冲、P4反向电压和P5b抛负载脉冲时，高边驱动开关功能均表现正常。

图5：高边驱动P1负脉冲。

图6：高边驱动P2a正脉冲。

图7：高边驱动P3a负脉冲。

图8：高边驱动P3b正脉冲。

图9：高边驱动P4反向电压脉冲。

图10：高边驱动P5b脉冲。

备注2：图5至图10测试条件为V_CC=24V，并联10nF电容在V_CC到GND，且包括二极管-电阻防止电源反接保护。

2：BCI大电流注入干扰的评估

在实际应用场景中，汽车不同功能车载零部件的连接线缆一般会捆扎在一起，会导致不同线缆之间产生不同频段的电磁干扰信号相互耦合，极端情况下受到干扰的零部件会失效^[5]。因此，圣邦采用模拟注入RF信号到被测产品电源线或信号线时，BCI大电流注入干扰的评估方法，按照ISO 11452-4标准，在12V/24V电池供电下，最高等级4，分别测试了不同距离下（150mm、450mm、750mm）共模干扰和差模干扰注入，对高边驱动带不同负载时的功能影响。表3为BCI大电流注入测试条件。

表3：高边驱动BCI大电流注入测试条件。

3：AEC-Q100-012重复短路次数和SOA寿命测试

说到汽车系统应用中高频易发的恶劣情况，各种短路事件是无法避免的。由于汽车采用车身金属架构作为整个接地平面，所以更容易出现搭铁短路。按照AEC-Q100-012标准，对SGM42203Q进行了12V供电下多种短路测试（如图11所示）。按照表4所示的条件，完成了高温（+125℃）/常温（+25℃）/低温（-40℃），12V/24V电池供电情况下，开关短路、PWM脉冲重复开关短路、热插拔短路等在长脉冲（300ms）、短脉冲（10ms）下的重复短路等一系列测试。

图11：高边驱动等效短路测试电路。

表4：高边驱动等效短路测试条件。

4：正在进行按照ZVEI通用IC EMC IEC 61967-4标准测试

圣邦的高边驱动不仅具备基本驱动保护功能，还通过了上述的各种EMC标准认证、极端应用下短路测试来确保器件可靠性。接下来还将参考ZVEI通用IC EMC测试规范中的IEC 61967-4标准，对SGM42203Q进行电磁传导发射的测量。参考IEC 62132-4标准，采用射频功率注入法，测试高边驱动的电磁注入抗扰度。参考IEC 62215-3标准，对高边驱动芯片电磁瞬态抗扰度进行试验。本着“要做车规芯片，先把车规放心里”的原则，在恶劣环境下每项测试，都是为了确保车规高边驱动芯片在汽车系统应用中的可靠性、稳定性和安全性。

除了通过上述的严格的车规标准测试，SGM42203Q还有其他功能上的优势（详见表5）。

表5：SGM42202Q/3Q主要优势。

高边驱动产品已经存在近十年时间，但仍具有很高的技术壁垒。随着新能源汽车的发展以及汽车应用设计对于高可靠性、智能化等特点的需求，高边驱动产品也需要不断更新迭代，如何判断其未来应用发展趋势对于迅速占据潜在市场来说至关重要。为此，圣邦微电子一直在努力，我们会推出更多符合未来汽车市场需求的高可靠高边驱动产品。

以下为圣邦近期提供的汽车级驱动类产品系列，欢迎来电洽谈！

表6：圣邦高低边驱动产品路线图。

表7：圣邦MOSFET驱动产品路线图。

参考文献

[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+the+designer+should+know-AN-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d46259b0420a0159d5c957260d9c.

[2] Infineon Technologies AG. 如何用好智能高边开关 [EB/OL]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/315128197.

[3] 国产芯片怎么做车规认证 [EB/OL]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/596491367.

[4] 汽车电子产品EMC测试项目 [EB/OL]. (2022-06-01). https://www.dongchedi.com/article/7104075416205394473.

[5] 什么是BCI大电流注入 [EB/OL]. (2023-01-29). https://baijiahao.baidu.com/s?id=1756347039125014944&wfr=spider&for=pc.

本文为《电子工程专辑》2024年5月刊杂志文章。免费杂志订阅申请点击这里。