如何选择汽车电子系统中的功率开关产品

汽车功率驱动涵盖的范围很宽，包含汽车电子的IC应用系统和功能元件。它们都有一个主要功能，即实现从几毫瓦到几千瓦电能的供应、变换或驱动。这些IC的工作范围和12V、24V和48V的汽车电气系统电压相适应。范围从简单的MOSFET到带有集成保护电路和诊断功能的高边、低边和桥式开关，以及线性电源调整IC和开关电源调整IC，一直到用于ABS和安全气囊等安全系统的高集成ASIC。汽车电子系统中的功率开关有高边驱动（HSD）、低边驱动（LSD）和桥式开关。

在汽车控制器中，汽车功率IC主要用在前/后电机继电器、真空泵继电器、PTC继电器、电源总正继电器、电源总负继电器等处。到底是采用高边还是低边开关， 有一定的权衡和考虑。

对汽车控制器系统中的汽车功率IC采用低边驱动，需要考虑以下细节内容：

负载的正常电流有多大？最大电流是多少？

负载是否为容性？如果是容性，冲击电流是多少？

负载是否为感性？如果是感性，关断时的能量是多少？

负载的控制方式是On/Off方式还是PWM？如果是PWM，频率和占空比是多少？

负载的工作环境温度是多少？极限温度是多少？

系统如果地线开路，对负载有何影响？

需要功率IC的封装方式是SMT还是通孔方式？如果是SMT，有多大的面积连接到功率IC的散热片？如果是通孔方式，采用什么形状的散热器？

负载是否需要诊断？如果需要，需要哪些诊断，过流、过压、过温还是短路等？

负载是否有以下应用：反向电池电压、抛负载、过电压等等？

对汽车控制器的系统中的汽车功率IC采用高边驱动，需要考虑以下细节内容：

负载正常电流有多大？最大电流是多少？

负载是否为容性？如果是容性，冲击电流是多少？

负载是否为感性？如果是感性，关断时的能量是多少？

负载的控制方式是On/Off方式还是PWM？如果是PWM，频率和占空比是多少？

负载的工作环境温度是多少？极限温度是多少？

需要功率IC的封装方式是SMT还是通孔方式？如果是SMT，有多大的面积连接到功率IC的散热片？如果是通孔方式，采用什么形状的散热器？

负载是否需要诊断？如果需要，需要哪些诊断，过流、过压、过温还是短路等？

负载是否有以下应用（反向电池电压、抛负载、过电压、等等）？

以下给出了在采用高边驱动和低边驱动在驱动负载时的一些比较：

1）导通电阻

导通电阻有时候也译成通态电阻。在同样的条件下，NMOSFET的导通电阻比PMOSFET要小。这是因为电子的导通速度比空穴快，因而影响到导通电阻。因此，为了追求低导通电阻，在某些高边的驱动应用中，是用充电泵加上NMOSFET来完成PMOSFET作为高边的应用。付出的代价是价格变高，驱动电路也比低边驱动复杂。

2） 采样电路

对于高边驱动的保护，如果需要电流采样，必须用差分的配置才能实现；而对于低边驱动，采用单端配置就可以。由于采用差分电路的成本高于采用单端的成本，因此从这个意义上说，低边驱动比高边驱动具备成本优势。

3） 线制的要求

由于现在的汽车的多为负极搭铁，采用高边驱动给负载供电有一系列的好处。如果负载的一端直接接在底盘的地上，则只需要一根线给负载供电，这就节省了整车系统的成本。

4） 失效对系统的影响

这是依据系统的要求，选择哪种类型的负载。在飞机的负载失效类型中，如果负载失效，最安全的方式是让负载继续运行下去；而对于汽车的负载应用，则正好相反。例如在发动机管理的控制单元中，控制油泵的开关就是高边驱动电路。这是因为在大多数的情况下，当驱动模块失效时，要关掉油泵，而高边驱动就能很好地满足这个要求。这种设计在发生车祸或系统失效时非常有利。

表1对高边驱动和低边驱动进行了全面比较（“-”代表劣势项，“+”代表优势项）。

表1：高边驱动和低边驱动的全面比较（“-”代表劣势项，“+”代表优势项）。

综上所述，无论是采用高边开关还是低边开关，都是各有优劣。最终在汽车控制器中选用那种方式的驱动，还是要看在哪种场合应用，以及诊断类型和失效后所造成的影响。综合考虑后才能在整车控制器的驱动类型选择中做出折衷判断。

作者简介：

高杨

近20年在汽车电子TOP10公司经验，特别是在车载控制器领域（多媒体、车身、驾驶辅助及VCU）。曾任职博世汽车专家级工程师，超过10年在汽车零部件（博世和大陆汽车），5+年汽车半导体（德州仪器和英飞凌），历任多种资深（系统、设计、产品）工程师职务。丰富的平台开发（从0到1）及产品开发的工程经验和技术积累。 Ford SYNC第一代的核心硬件工程师，定义和开发了德州仪器（TI）第一款智能高边驱动器（TPS1H100-Q1），填补了公司在汽车电子市场的技术路线和市场空白。 整理和标准化了与设计开发的技术文件，可以直接用于指导设计及融入公司的文件体系中，满足体系审查要求和提高公司的设计流程和管理水平。硬件设计流程管理的模板（45+篇），硬件设计评审和检查清单模板（50+篇）。 企业内训师认证（TTT） ，超过2500页汽车电子设计培训内容PPT，满足从入门、中级及高级汽车电子设计的培训要求，目前在4家企业内部实施过培训，收到了很好的反馈。 目前获得13件汽车电子专利（截止2019年12月）。《EDN电子技术设计》汽车电子专栏作者

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