使用新型預(yù)驅(qū)動(dòng)器和 MOSFET 的汽車功率負(fù)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(dòng)力轉(zhuǎn)向和自動(dòng)變速箱)正在被電動(dòng)等效系統(tǒng)取代，以幫助減輕整體重量并提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

隨著電氣化趨勢(shì)的繼續(xù)，傳統(tǒng)的機(jī)電繼電器仍然廣泛用于負(fù)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(duì)昂貴、笨重的大電流接線的需求?？刂七壿嬒鄬?duì)簡(jiǎn)單，而外形尺寸和引腳分配已寫入 ISO 標(biāo)準(zhǔn)，有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及供應(yīng)鏈和庫(kù)存管理。

取代傳統(tǒng)接力

但是也有一些缺點(diǎn)。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(jì)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(shí)代，需要更緊湊的負(fù)載切換解決方案。繼電器的可靠性也相對(duì)較弱：雖然機(jī)械壽命可以顯著超過(guò) 100 萬(wàn)次操作，但電氣壽命通常只有 100,000 次左右，具體取決于負(fù)載和操作條件。

傳統(tǒng)繼電器也會(huì)產(chǎn)生明顯的電磁開(kāi)關(guān)噪聲。當(dāng)繼電器控制電路的線圈中的磁場(chǎng)在關(guān)斷時(shí)崩潰時(shí)，會(huì)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(lái)防止電磁干擾。

最后，需要改進(jìn)整個(gè)汽車電氣基礎(chǔ)設(shè)施的診斷，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的信息和安全系統(tǒng)，并協(xié)助服務(wù)和維修。如果沒(méi)有附加電路，傳統(tǒng)繼電器無(wú)法支持自診斷功能和負(fù)載保護(hù)。

設(shè)計(jì)人員正在轉(zhuǎn)向符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的功率 MOSFET，以實(shí)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(qiáng)智能和診斷方面的未來(lái)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(jiǎn)化熱管理。

建議使用預(yù)驅(qū)動(dòng)器控制 MOSFET 柵極，因?yàn)?MOSFET 的自我保護(hù)相對(duì)較弱，并且可能會(huì)因過(guò)壓或過(guò)流尖峰而永久損壞。ON Semiconductor NCV7518 六通道預(yù)驅(qū)動(dòng)器提供合適的保護(hù)，還集成了故障檢測(cè)和診斷電路。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)選擇外部 MOSFET 來(lái)自由擴(kuò)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(gè) MOSFET，用于控制各種負(fù)載，包括燈、加熱器和簡(jiǎn)單的電機(jī)。預(yù)驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)和集成鉗位二極管和 ESD 保護(hù)。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(guò)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(fù)載故障信息的收集是借助預(yù)驅(qū)動(dòng)器的 GATx 和 DRNx 引腳實(shí)現(xiàn)的，然后通過(guò) 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(dòng)器能夠檢測(cè)每個(gè)負(fù)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(fù)載在限制水平下運(yùn)行。還有其他功能，例如自動(dòng)重試和快速充電，可以通過(guò) SPI 通信啟用，以定制外部負(fù)載需求。這些是預(yù)驅(qū)動(dòng)器解決方案可以提供的一些使用傳統(tǒng)繼電器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的診斷功能和保護(hù)功能的示例。

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

故障檢測(cè)和捕捉

NCV7518的每個(gè)通道都有獨(dú)立的故障診斷，能夠在通道開(kāi)啟時(shí)檢測(cè)負(fù)載短路故障，在通道關(guān)閉時(shí)檢測(cè)對(duì)地短路或負(fù)載開(kāi)路故障。這使得驅(qū)動(dòng)器可以與不同類型的負(fù)載一起使用，例如電感或電阻負(fù)載，并滿足與汽車電子環(huán)境測(cè)試相關(guān)的各種國(guó)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(duì)故障進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，以便在下一次 SPI 讀取時(shí)可獲得最嚴(yán)重的故障數(shù)據(jù)。因此，負(fù)載短路故障數(shù)據(jù)具有最高優(yōu)先級(jí)，其次是接地短路和負(fù)載開(kāi)路故障數(shù)據(jù)。每個(gè)通道的 DRNx 反饋輸入將通道外部 MOSFET 的漏極電壓與多個(gè)內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較。短路負(fù)載檢測(cè)閾值通過(guò) SPI 編程，并使用單獨(dú)的檢測(cè)基準(zhǔn)來(lái)區(qū)分三種故障類型。消隱定時(shí)器和濾波器定時(shí)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(kāi)啟消隱或?yàn)V波器超時(shí)后，當(dāng)通道的 DRNx 反饋大于其選定的故障參考值時(shí)，檢測(cè)到負(fù)載短路故障。自動(dòng)重試模式使預(yù)驅(qū)動(dòng)器能夠在負(fù)載短路故障后自動(dòng)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(shí)間內(nèi)關(guān)閉。刷新時(shí)間結(jié)束后輸出重新打開(kāi)，并在開(kāi)啟消隱時(shí)間后再次采樣 DRNx。如果故障仍然存在，通道將自動(dòng)關(guān)閉。對(duì)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(fù)載產(chǎn)生的最大允許反激電壓，因?yàn)?MOSFET 配置在低端司機(jī)。對(duì)于感性負(fù)載，外部鉗位二極管用于保護(hù) MOSFET。對(duì)于 12V 系統(tǒng)，反激電壓可以鉗位到最大 36V，因此超過(guò) 40V 的 VDSS 是可以接受的。請(qǐng)注意，當(dāng)使用的反激式鉗位具有 40V 至 50V 的擊穿范圍時(shí)，60V 的 VDSS 會(huì)更合適。

負(fù)載功率是影響 MOSFET 選擇的下一個(gè)最重要的因素。原則上，較高的負(fù)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(kāi)關(guān)和智能預(yù)驅(qū)動(dòng)器有助于減輕重量、減小尺寸并提高傳統(tǒng)上使用機(jī)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(dòng)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(shì)。