什么是智能功率开关 智能功率开关的选择

功率器件可以在各种非正常工况下保护自己并报错会大大提高功率器件自身的可靠性和整个系统的安全性。以下图中英飞凌的智能高边经典产品PROFET系列为例，它集成了诊断和保护功能（Protect）的功率器件（MOSFET），它可以对异常工况作出反应，并及时向控制单元汇报。尤其是在汽车级的应用中，汽车复杂的电气架构大大提高了电子的故障检测的难度，我们需要知道电路和器件的工作状态，才能快速对故障进行定位。

01 什么是智能功率开关（Smart power switch）

功率器件可以在各种非正常工况下保护自己并报错会大大提高功率器件自身的可靠性和整个系统的安全性。以下图中英飞凌的智能高边经典产品PROFET系列为例，它集成了诊断和保护功能（Protect）的功率器件（MOSFET），它可以对异常工况作出反应，并及时向控制单元汇报。尤其是在汽车级的应用中，汽车复杂的电气架构大大提高了电子的故障检测的难度，我们需要知道电路和器件的工作状态，才能快速对故障进行定位。

英飞凌智能高边开关PROFET系列

智能功率开关适用于驱动不同类型的负载，如阻性负载（PTC），感性负载（电机），容性负载和车灯。并可以取代汽车系统中的许多元件，比如继电器和保险丝等。它包含了许多种保护功能以应对电路中各种常见的失效问题。同时它还具备电流检测功能，在对电路检测精度要求并不苛刻的应用中，可以额外节省shunt电阻以及分立差分比较器。某些特定的产品家族还带有开关速度调节功能，这种功能在优化电流尖峰和EMI时十分实用。在PCB板的布局上，由于英飞凌的智能功率开关器件有着极高的集成度，它甚至不需要比分立MOSFET多很多的Pin脚。

02 智能功率开关如何避免失效问题

想保护功率器件避免失效，我们需要先分析常见的失效原因并一一解决。

对于传统的分立MOSFET器件常见的失效原因有：

1. 供电电压剧烈波动（比如汽车的12V电气系统，在点火和搭电启动时电压可能会有5.5V至24V的波动）所引发的过压问题

2. 感性负载关断时在MOSFET两端所产生的电压尖峰V_ds=V_bat+V_L所导致的器件过压

3. 负载或电路中某处短路所产生的短路电流使器件过流/过温失效

因此，在汽车12V或是24V电气系统中使用MOSFET，需要充分考虑器件的breakdown voltage是否可以承受电压的剧烈波动。而感性负载的电压尖峰则可以通过对器件开关速度的调节进行一定优化。对于过流/过温所产生的失效问题则可以通过及时断开MOSFET从而对器件和电路进行保护。

除了以上几种失效问题以外，还有一些异常工况比如负载突然断开或者电池欠压，虽然不一定会产生元器件损坏，但此时电路已经无法正常工作，我们需要及时知道电路的状态并进行调整。

最后值得一提的是，电池反极性问题在汽车系统中也是需要考虑的一种失效模型。因为在更换汽车电池或者是搭电启动时，粗心的司机可能会将电池接反。而当电池反接时，MOSFET的体二极管会直接导通并产生大量损耗，引起芯片快速升温。

03 智能功率开关的选择

智能功率开关分为智能高边开关和低边开关。顾名思义，高边开关（High side switch）表示功率开关处于负载高电势的一侧，即电池和负载之间。而低边开关（Low side switch）处于负载的低电势一侧，通常是在负载和地之间。

如上图中所示，正常工作时两者都可以使电路导通或者断开。对于图示高边电路中的两个短路点，断开MOSFET都可以很好的保护电路和负载。但对于低边电路中的两个短路点，断开低边MOSFET之后，电路仍处于电源对地短路或者是负载无法断开的问题。只有在低边开关之后的电路对地短路，关闭MOSFET才可以使电路断开。相比之下，电路中使用高边开关会有更好的保护效果。但需要注意的是，想在高边使用N通道MOSFET，由于它的源极电压不固定，就需要额外的Charge pump或Bootstrap电路对开关管进行驱动。

智能高边开关PROFET系列针对不同种类的负载会有相应的保护功能，比如当容性负载上的电压高于电池电压时会产生与电池反极性相似的问题，此时智能高边开关会报错并打开MOSFET，使电流从通道中流过，从而降低芯片整体的发热量。当感性负载关断时，英飞凌的智能钳位功能可以抑制电压尖峰从而保护功率器件。

英飞凌智能高边家族中除了PROFET系列之外还有适用于ADAS应用的Load Guard系列，它的特点是具有可调节的限流保护功能。

而低边智能开关因为对整个电路的保护能力受到限制（在电池对地短路和负载开路时无法对电路施加影响），更需要考虑过温/过流保护。因此英飞凌的智能低边开关（Highly Integrated Temperature protected FET）被称为HITFET。但除了保护功能之外，英飞凌HITFET系列的低边智能开关会额外具备一个开关速度调节的功能（Slew rate adjustment）以提升EMI性能。

除此之外还有支持SPI控制的多通道高边开关SPOC家族，多通道智能低边FLEX家族以及多个高低边可以自定义的 SPIDER家族。