使用新型預(yù)驅(qū)動器和 MOSFET 的汽車功率負載控制

今天的汽車配備了種類繁多的電子配件和電子安全輔助裝置，使車輛更具吸引力、更安全和更易于使用。此外，傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)(如動力轉(zhuǎn)向和自動變速箱)正在被電動等效系統(tǒng)取代，以幫助減輕整體重量并提高燃油經(jīng)濟性。

隨著電氣化趨勢的繼續(xù)，傳統(tǒng)的機電繼電器仍然廣泛用于負載切換。繼電器有助于將車輛乘員與大功率電路安全隔離，并最大限度地減少對昂貴、笨重的大電流接線的需求?？刂七壿嬒鄬唵?，而外形尺寸和引腳分配已寫入 ISO 標(biāo)準(zhǔn)，有助于簡化系統(tǒng)設(shè)計以及供應(yīng)鏈和庫存管理。

取代傳統(tǒng)接力

但是也有一些缺點。盡管標(biāo)準(zhǔn)繼電器尺寸和端子圖案現(xiàn)在包括 Mini 280 和 Micro 280 等小型化格式，但 Mini 尺寸具有 1 英寸立方體主體，而 Micro 尺寸為 1" x 1" x 1/2"。在設(shè)計人員承受著在更小的 ECU 中構(gòu)建額外電路的巨大壓力的時代，需要更緊湊的負載切換解決方案。繼電器的可靠性也相對較弱：雖然機械壽命可以顯著超過 100 萬次操作，但電氣壽命通常只有 100,000 次左右，具體取決于負載和操作條件。

傳統(tǒng)繼電器也會產(chǎn)生明顯的電磁開關(guān)噪聲。當(dāng)繼電器控制電路的線圈中的磁場在關(guān)斷時崩潰時，會出現(xiàn)電壓尖峰。內(nèi)置電阻器或鉗位二極管可以防止損壞附近的電路，但可能需要額外的抑制或屏蔽來防止電磁干擾。

最后，需要改進整個汽車電氣基礎(chǔ)設(shè)施的診斷，以實現(xiàn)增強的信息和安全系統(tǒng)，并協(xié)助服務(wù)和維修。如果沒有附加電路，傳統(tǒng)繼電器無法支持自診斷功能和負載保護。

設(shè)計人員正在轉(zhuǎn)向符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的功率 MOSFET，以實現(xiàn)在減小尺寸和重量、提高可靠性、更好的電磁兼容性 (EMC) 以及增強智能和診斷方面的未來目標(biāo)。具有合適電流和電壓額定值的 MOSFET 的導(dǎo)通電阻僅為幾毫歐，這有助于簡化熱管理。

建議使用預(yù)驅(qū)動器控制 MOSFET 柵極，因為 MOSFET 的自我保護相對較弱，并且可能會因過壓或過流尖峰而永久損壞。ON Semiconductor NCV7518 六通道預(yù)驅(qū)動器提供合適的保護，還集成了故障檢測和診斷電路。設(shè)計人員可以通過選擇外部 MOSFET 來自由擴展其應(yīng)用。

圖 1 顯示了包含 NCV7518 的示例應(yīng)用電路，該電路帶有六個 MOSFET，用于控制各種負載，包括燈、加熱器和簡單的電機。預(yù)驅(qū)動器采用 5mm x 5mm x 0.9mm QFN32 封裝。合適的 MOSFET 類型是 NID9N05CL，它是一款 9.0A 52V 器件，具有邏輯電平開關(guān)和集成鉗位二極管和 ESD 保護。需要少量電阻器和電容器，與使用繼電器構(gòu)建的類似系統(tǒng)相比，其尺寸和高度要小得多。此外，消除了繼電器噪聲。通過充分的散熱，可以管理 MOSFET 的結(jié)溫，以確保至少在車輛的預(yù)期壽命內(nèi)具有可靠性。

MOSFET 的控制和負載故障信息的收集是借助預(yù)驅(qū)動器的 GATx 和 DRNx 引腳實現(xiàn)的，然后通過 SPI 通信端口和故障標(biāo)志 (FLTB) 輸出反饋給微控制器。預(yù)驅(qū)動器能夠檢測每個負載的電池短路和接地短路故障。該設(shè)備還監(jiān)控電池電源的異常水平，以防止負載在限制水平下運行。還有其他功能，例如自動重試和快速充電，可以通過 SPI 通信啟用，以定制外部負載需求。這些是預(yù)驅(qū)動器解決方案可以提供的一些使用傳統(tǒng)繼電器無法實現(xiàn)的診斷功能和保護功能的示例。

為了最大限度地發(fā)揮這種前置驅(qū)動器和 MOSFET 組合的優(yōu)勢，設(shè)計人員必須注意多個方面，例如故障保護和診斷參數(shù)的配置，根據(jù)實際負載情況選擇合適的 MOSFET，以及計算散熱量。由 MOSFET 以確保足夠的熱管理。

故障檢測和捕捉

NCV7518的每個通道都有獨立的故障診斷，能夠在通道開啟時檢測負載短路故障，在通道關(guān)閉時檢測對地短路或負載開路故障。這使得驅(qū)動器可以與不同類型的負載一起使用，例如電感或電阻負載，并滿足與汽車電子環(huán)境測試相關(guān)的各種國家標(biāo)準(zhǔn)。

每種故障類型都被唯一地編碼為每通道三位故障數(shù)據(jù)。這種三位編碼允許對故障進行優(yōu)先級排序，以便在下一次 SPI 讀取時可獲得最嚴(yán)重的故障數(shù)據(jù)。因此，負載短路故障數(shù)據(jù)具有最高優(yōu)先級，其次是接地短路和負載開路故障數(shù)據(jù)。每個通道的 DRNx 反饋輸入將通道外部 MOSFET 的漏極電壓與多個內(nèi)部參考電壓進行比較。短路負載檢測閾值通過 SPI 編程，并使用單獨的檢測基準(zhǔn)來區(qū)分三種故障類型。消隱定時器和濾波器定時器分別用于允許輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換穩(wěn)定和抑制毛刺。

在開啟消隱或濾波器超時后，當(dāng)通道的 DRNx 反饋大于其選定的故障參考值時，檢測到負載短路故障。自動重試模式使預(yù)驅(qū)動器能夠在負載短路故障后自動恢復(fù)。在此模式下，受影響通道的 GATx 輸出在編程的故障刷新時間內(nèi)關(guān)閉。刷新時間結(jié)束后輸出重新打開，并在開啟消隱時間后再次采樣 DRNx。如果故障仍然存在，通道將自動關(guān)閉。對于浪涌電流條件和間歇性故障，此功能是理想的。

MOSFET 選擇

就 MOSFET 的選擇而言，所選器件的最大漏源電壓 (VDSS) 必須高于電感負載產(chǎn)生的最大允許反激電壓，因為 MOSFET 配置在低端司機。對于感性負載，外部鉗位二極管用于保護 MOSFET。對于 12V 系統(tǒng)，反激電壓可以鉗位到最大 36V，因此超過 40V 的 VDSS 是可以接受的。請注意，當(dāng)使用的反激式鉗位具有 40V 至 50V 的擊穿范圍時，60V 的 VDSS 會更合適。

負載功率是影響 MOSFET 選擇的下一個最重要的因素。原則上，較高的負載電流需要較低導(dǎo)通電阻的 MOSFET。

減輕重量，提高可靠性

半導(dǎo)體開關(guān)和智能預(yù)驅(qū)動器有助于減輕重量、減小尺寸并提高傳統(tǒng)上使用機電繼電器控制的汽車系統(tǒng)的可靠性。正確的設(shè)備選擇和預(yù)驅(qū)動診斷配置將加速向更多更好的汽車電子系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。