解析智能功率開關(guān)

功率器件可以在各種非正常工況下保護自己并報錯會大大提高功率器件自身的可靠性和整個系統(tǒng)的安全性。以下圖中英飛凌的智能高邊經(jīng)典產(chǎn)品PROFET系列為例，它集成了診斷和保護功能(Protect)的功率器件(MOSFET)，它可以對異常工況作出反應(yīng)，并及時向控制單元匯報。尤其是在汽車級的應(yīng)用中，汽車復(fù)雜的電氣架構(gòu)大大提高了電子的故障檢測的難度，我們需要知道電路和器件的工作狀態(tài)，才能快速對故障進行定位。

01 什么是智能功率開關(guān)(Smart power switch)

功率器件可以在各種非正常工況下保護自己并報錯會大大提高功率器件自身的可靠性和整個系統(tǒng)的安全性。以下圖中英飛凌的智能高邊經(jīng)典產(chǎn)品PROFET系列為例，它集成了診斷和保護功能(Protect)的功率器件(MOSFET)，它可以對異常工況作出反應(yīng)，并及時向控制單元匯報。尤其是在汽車級的應(yīng)用中，汽車復(fù)雜的電氣架構(gòu)大大提高了電子的故障檢測的難度，我們需要知道電路和器件的工作狀態(tài)，才能快速對故障進行定位。

英飛凌智能高邊開關(guān)PROFET系列

智能功率開關(guān)適用于驅(qū)動不同類型的負載，如阻性負載（PTC），感性負載（電機），容性負載和車燈。并可以取代汽車系統(tǒng)中的許多元件，比如繼電器和保險絲等。它包含了許多種保護功能以應(yīng)對電路中各種常見的失效問題。同時它還具備電流檢測功能，在對電路檢測精度要求并不苛刻的應(yīng)用中，可以額外節(jié)省shunt電阻以及分立差分比較器。某些特定的產(chǎn)品家族還帶有開關(guān)速度調(diào)節(jié)功能，這種功能在優(yōu)化電流尖峰和EMI時十分實用。在PCB板的布局上，由于英飛凌的智能功率開關(guān)器件有著極高的集成度，它甚至不需要比分立MOSFET多很多的Pin腳。

02 智能功率開關(guān)如何避免失效問題

想保護功率器件避免失效，我們需要先分析常見的失效原因并一一解決。

對于傳統(tǒng)的分立MOSFET器件常見的失效原因有：

1. 供電電壓劇烈波動（比如汽車的12V電氣系統(tǒng)，在點火和搭電啟動時電壓可能會有5.5V至24V的波動）所引發(fā)的過壓問題

2. 感性負載關(guān)斷時在MOSFET兩端所產(chǎn)生的電壓尖峰V_ds=V_bat+V_L所導(dǎo)致的器件過壓

3. 負載或電路中某處短路所產(chǎn)生的短路電流使器件過流/過溫失效

因此，在汽車12V或是24V電氣系統(tǒng)中使用MOSFET，需要充分考慮器件的breakdown voltage是否可以承受電壓的劇烈波動。而感性負載的電壓尖峰則可以通過對器件開關(guān)速度的調(diào)節(jié)進行一定優(yōu)化。對于過流/過溫所產(chǎn)生的失效問題則可以通過及時斷開MOSFET從而對器件和電路進行保護。

除了以上幾種失效問題以外，還有一些異常工況比如負載突然斷開或者電池欠壓，雖然不一定會產(chǎn)生元器件損壞，但此時電路已經(jīng)無法正常工作，我們需要及時知道電路的狀態(tài)并進行調(diào)整。

最后值得一提的是，電池反極性問題在汽車系統(tǒng)中也是需要考慮的一種失效模型。因為在更換汽車電池或者是搭電啟動時，粗心的司機可能會將電池接反。而當(dāng)電池反接時，MOSFET的體二極管會直接導(dǎo)通并產(chǎn)生大量損耗，引起芯片快速升溫。

03 智能功率開關(guān)的選擇

智能功率開關(guān)分為智能高邊開關(guān)和低邊開關(guān)。顧名思義，高邊開關(guān)(High side switch)表示功率開關(guān)處于負載高電勢的一側(cè)，即電池和負載之間。而低邊開關(guān)(Low side switch)處于負載的低電勢一側(cè)，通常是在負載和地之間。

如上圖中所示，正常工作時兩者都可以使電路導(dǎo)通或者斷開。對于圖示高邊電路中的兩個短路點，斷開MOSFET都可以很好的保護電路和負載。但對于低邊電路中的兩個短路點，斷開低邊MOSFET之后，電路仍處于電源對地短路或者是負載無法斷開的問題。只有在低邊開關(guān)之后的電路對地短路，關(guān)閉MOSFET才可以使電路斷開。相比之下，電路中使用高邊開關(guān)會有更好的保護效果。但需要注意的是，想在高邊使用N通道MOSFET，由于它的源極電壓不固定，就需要額外的Charge pump或Bootstrap電路對開關(guān)管進行驅(qū)動。

智能高邊開關(guān)PROFET系列針對不同種類的負載會有相應(yīng)的保護功能，比如當(dāng)容性負載上的電壓高于電池電壓時會產(chǎn)生與電池反極性相似的問題，此時智能高邊開關(guān)會報錯并打開MOSFET，使電流從通道中流過，從而降低芯片整體的發(fā)熱量。當(dāng)感性負載關(guān)斷時，英飛凌的智能鉗位功能可以抑制電壓尖峰從而保護功率器件。

英飛凌智能高邊家族中除了PROFET系列之外還有適用于ADAS應(yīng)用的Load Guard系列，它的特點是具有可調(diào)節(jié)的限流保護功能。

而低邊智能開關(guān)因為對整個電路的保護能力受到限制（在電池對地短路和負載開路時無法對電路施加影響），更需要考慮過溫/過流保護。因此英飛凌的智能低邊開關(guān)（Highly Integrated Temperature protected FET）被稱為HITFET。但除了保護功能之外，英飛凌HITFET系列的低邊智能開關(guān)會額外具備一個開關(guān)速度調(diào)節(jié)的功能(Slew rate adjustment)以提升EMI性能。

除此之外還有支持SPI控制的多通道高邊開關(guān)SPOC家族，多通道智能低邊FLEX家族以及多個高低邊可以自定義的 SPIDER家族。