目前对于高边驱动,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。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?

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IDC、IINRUSH和tLAMPON三个参数描述。IDC定义了稳定状态时的消耗电流,IINRUSH是初始浪涌电流,同时,时间常数tLAMPON描述了达到稳定状态的转变时间。一般认为IINRUSH是IDC的10倍。当驱动电流降至小于IINRUSH一半时,车灯达到打开状态,这段时间定义为tLAMPON。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tLAMPON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tLAMPON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。

12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tDEMAG。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VCLAMP电压为60V,关断退磁时间tDEMAG为9.2ms,根据工程近似计算公式(1)可算出退磁能量EAS为276mJ,而SGM42203Q实际关断测量得到退磁能量EAS262.5mJ,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VSENSEH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图4测试条件为VCC=24V,TJ=+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。510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图10测试条件为VCC=24V,并联10nF电容在VCC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。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

3AEC-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11所示)。按照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。

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)。

5SGM42202Q/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

责编:Franklin
阅读全文,请先
您可能感兴趣
RISC-V 在新兴应用中具有意义,因为这些领域的开发人员尚未拥有现成的 Arm 产品。人工智能的兴起、用例和功能的增加意味着许多新领域正在萌芽,而RISC-V在所有这些领域都具有潜力……
随着全球对新能源汽车需求的持续增长,预计未来几年,Serdes技术将在新能源汽车领域扮演越来越重要的角色。
尽管短期内中国本土汽车芯片厂商无法完全取代国外芯片,特别是中高端汽车芯片、高算力芯片,但汽车芯片国产化已在弦上,将加速本土汽车芯片产业的发展,改变“大而不强”的尴尬局面。
电动汽车市场的蓬勃发展是SiC高速扩产背后的驱动力之一,尤其是电动车的主驱逆变器业务。随着汽车制造商对更高能效和续航能力的追求,如何通过SiC、IGBT和MOSFET等多类型的产品组合有效缓解电动汽车“里程焦虑”,正成为相关企业孜孜以求的目标。
近日,一段由某博主分享的视频在网络上引发了广泛讨论。一位女性车主驾驶着智己LS6汽车进入停车场后,尝试使用其自动泊车功能将车辆停进指定车位。车辆继续执行倒车操作,直到前保险杠被撞坏,才最终将车辆自动停入车位。这一事件迅速在网络上引发了热议。
无论此次禾赛科技起诉美国防部是否胜诉,都无法影响中美科技领域战略竞争态势,而美国的各类“清单”或制裁措施也将如“达摩克利斯之剑”随时都有劈下的可能。
工程师对某个方案的选取,需要考虑系统性能,器件参数,成本等多个因素。HP1010 的测试数据证实,图腾柱拓扑在收获高效的同时, 可以安全可靠的运行;结合特有的控制算法,电流互感器方案简洁灵活,并且CBC保护性能出色。
2024年第一季度全球云基础设施服务支出同比增长21%,达到798亿美元,增加134亿美元。三大云提供商——AWS、微软Azure和谷歌云——合计增长了24%,占总支出的66%。
本期活动将从车辆通信和电源、汽车电路保护、新一代电力电子架构、电池监测管理系统、车辆连接器、GPS应用、车载电源和地面超级快充技术、新能源车线束布置与电磁兼容性、新能源汽车发展等多方面展开深入讨论,通过对智能电动汽车创新技术的解构来推动智慧交通体系变革。
当前,5G发展已行至中场,5G Advanced正在加速落地,不仅将进一步释放5G全部潜能,还将为6G奠定技术基础,加速推动未来十年的创新。
点击上方“C语言与CPP编程”,选择“关注/置顶/星标公众号”干货福利,第一时间送达!最近有小伙伴说没有收到当天的文章推送,这是因为微信改了推送机制,有一部分小伙伴刷不到当天的文章,一些比较实用的知识
2024年电动智能汽车行业报告汇总(点击进入)作者/来源:国盛证券摘要:AI赋能机器人及Optimus进展成为双主线。人形机器人产业趋势的共识在多轮行情中逐渐形成,呈现AI技术发展+产业巨头加持+政策
2024年电动智能汽车行业报告汇总(点击进入)来源:中国电动汽车百人会报告订购咨询电话:18676695257(同微信)邮件:service@yilanzhong.com一览众咨询电动汽车报告《202
点击蓝字 关注我们小草过青苔,春来花自开;五月耕耘季,东瀛观沧海。            ---Alan Yan      五月初阳春意浓,百花争艳展芳容。作为全球供应链伙伴的铭冠国际,公司在全球不断
随着物联网技术的飞速发展,嵌入式系统和物联网设备正面临着前所未有的数据管理挑战。1、数据量爆发式增长,芯片内存紧张2、数据实时性与数据分析处理能力的需求3、不同芯片数据无法兼容4、数据安全性与可靠性的
要点—• 骁龙X Elite和骁龙X Plus赋能全新产品品类发布,带来微软Copilot+ PC体验。• 搭载骁龙X Elite和骁龙X Plus的PC能够提供长达多天的电池续航和卓越的性能与能效,
芝能智芯出品汽车行业的数字化转型加速推进,日本车企包括丰田汽车、日产汽车和本田汽车等,将共同开发下一代汽车软件,整合各自领域的专业知识,如生成式人工智能和半导体技术,以应对未来汽车市场的激烈竞争。根据
芝能科技出品本田汽车公布了FY24财年(2023年4月1日至2024年3月31日)的合并财务业绩。本田在销售收入和利润方面均创下历史新高:● 实现营收20.43万亿日元(约合人民币9482亿元),较上
在家政这条道路上,创业者周于英做过住家保姆、月嫂。在家政行业摸爬滚打多年后,在一位老乡的带领下,周于英创办了自己的家政公司。现如今,她在深圳经营着一家家政公司,拥有1800平精致写字楼门店,并且加盟了
世健商城成立于2016年,是世健旗下的正品电子元器件商城,获得原厂授权认证,提供一站式电子元器件采购服务。不但支持现货买卖,更可提供在线询价及技术咨询服务。欢迎访问:www.excelchips.cn