汽車功率驅動涵蓋的範圍很廣,包含汽車電子的IC應用系統和功能元件。它們都有一個主要功能,即實現從幾毫瓦(mW)到幾千瓦(kW)電能的供應、變換或驅動。因應12V、24V、48V的汽車電氣系統電壓,這些IC的工作範圍從簡單的金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)到帶有整合保護電路和診斷功能的高側、低側和橋式開關,以及線性電源調節IC和開關電源調節IC,一直到用於防鎖死煞車系統(ABS)和安全氣囊等安全系統的高整合ASIC。

汽車電子系統中的功率開關有高側驅動(HSD)、低側驅動(LSD)和橋式開關。在汽車控制器中,汽車功率IC主要用在前/後馬達繼電器、真空泵繼電器、PTC繼電器、電源總正繼電器、電源總負繼電器等位置。到底是採用高側還是低側開關, 都具有一定的權衡和考慮。

針對汽車控制器中的功率IC採用低側驅動,需要考慮以下問題:

  • 負載的正常電流有多大?最大電流是多少?
  • 負載是否為容性?如果是容性,衝擊電流是多少?
  • 負載是否為感性?如果是感性,關斷時的能量是多少?
  • 負載的控制方式是On/Off方式還是脈衝寬度調變(PWM)?如果是PWM,頻率和佔空比是多少?
  • 負載的工作環境溫度是多少?極限溫度是多少?
  • 系統如果地線開路,對負載有何影響?
  • 需要功率IC的封裝方式是表面黏著技術(SMT)還是過孔?如果是SMT,有多大的面積連接到功率IC的散熱片?如果是過孔方式,採用什麼形狀的散熱片?
  • 負載是否需要診斷?需要哪些診斷?過流、過壓、過溫還是短路?
  • 負載是否有以下應用:反向電池電壓、拋負載、過電壓等?

針對汽車控制器中的功率IC採用高側驅動,需要考慮以下問題:

  • 負載正常電流有多大?最大電流是多少?
  • 負載是否為容性?如果是容性,衝擊電流是多少?
  • 負載是否為感性?如果是感性,關斷時的能量是多少?
  • 負載的控制方式是On/Off方式還是PWM?如果是PWM,頻率和佔空比是多少?
  • 負載的工作環境溫度是多少?極限溫度是多少?
  • 需要功率IC的封裝方式是SMT還是過孔?如果是SMT,有多大的面積連接到功率IC的散熱片?如果是過孔方式,採用什麼形狀的散熱片?
  • 負載是否需要診斷?需要哪些診斷?過流、過壓、過溫還是短路?
  • 負載是否有以下應用:反向電池電壓、拋負載、過電壓等?

以下比較採用高側驅動和低側驅動時的驅動負載: 1) 導通電阻
導通電阻有時候也譯成通態電阻。在同樣的條件下,N型MOSFET (NMOSFET)的導通電阻比P型MOSFET (PMOSFET)要小。這是因為電子的導通速度比空穴快,因而影響到導通電阻。因此,為了追求低導通電阻,在某些高側的驅動應用中,是用充電泵加上NMOSFET來完成PMOSFET作為高側的應用。付出的代價是價格變高,驅動電路也比低側驅動複雜。

2) 採樣電路
對於高側驅動的保護,如果需要電流採樣,必須用差分的配置才能實現;而對於低側驅動,採用單端配置就可以。由於採用差分電路的成本高於採用單端的成本,因此從這個意義上說,低側驅動比高側驅動具備成本優勢。

3) 線制的要求
由於當今汽車多為負極搭鐵(接地),採用高側驅動給負載供電有一系列的好處。如果負載的一端直接接在底盤上,則只需要一根線給負載供電,這就節省了整車系統的成本。

4) 失效對系統的影響
這是依據系統的要求,選擇哪種類型的負載。在飛機的負載失效類型中,如果負載失效,最安全的方式是讓負載繼續運行下去;而對於汽車的負載應用,則正好相反。例如在引擎管理的控制單元中,控制油泵的開關就是高側驅動電路。這是因為在大多數的情況下,當驅動模組失效時,要關掉油泵,而高側驅動就足以滿足這個要求。這種設計在發生車禍或系統失效時非常有利。

表1對高側驅動和低側驅動進行了全面比較(‘-’代表劣勢項,‘+’代表優勢項)。

Autimotive MCU switch

表1:高側驅動和低側驅動的全面比較(“-’代表劣勢項,‘+’代表優勢項)。

綜上所述,無論是採用高側開關還是低側開關,都是各有優劣。最終在汽車控制器中究竟選用那一種方式驅動,取決於不同的場合應用,以及診斷類型和失效後所造成的影響。綜合考慮後才能在整車控制器的驅動類型選擇中做出折衷與判斷。

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年9月號