前言

高邊驅(qū)動芯片作為汽車電子中負(fù)載控制各類負(fù)載開關(guān)的重要器件，包含很多不同的保護和診斷功能。其中過溫和過流保護無疑是最重要的。目前整車上發(fā)生的高邊失效（甚至是芯片燒毀），大多是因為高邊驅(qū)動芯片的保護策略和能力與應(yīng)用不匹配造成的。

本文結(jié)合易沖半導(dǎo)體的高邊CPSQ54xx系列詳細解釋垂直單晶工藝對高邊驅(qū)動芯片過溫過流保護的加成左右，希望能給廣大汽車電子設(shè)計工程師在方案設(shè)計時帶來一定幫助。

1. 高邊芯片的過流保護策略簡析

市場上的高邊驅(qū)動芯片最早主要來自兩家國際半導(dǎo)體公司。保護策略分別有采用有限次pulse和無限次pulse的設(shè)計，國內(nèi)各家也基本采用與之相同或類似的思路設(shè)計。下面我們主要討論垂直單晶工藝在其中起到的影響和作用。

2. 垂直單晶工藝在過流保護中對高邊驅(qū)動芯片保護能力的影響

不管是用哪種策略對芯片過流過溫工況進行保護，本質(zhì)上的目的都是在流經(jīng)高邊驅(qū)動芯片的MOSFET上的電流將芯片燒損前關(guān)斷MOSFET，所以能不能有效保護芯片，主要取決于三點： 芯片自身能抗住的能量總量是否夠強 ， 短路電路在檢知到過流工況后能否在能量累積到芯片能力邊界前關(guān)斷，以及關(guān)斷時的能量耗散邊界有多大 。下面通過易沖半導(dǎo)體的高邊驅(qū)動芯片CPSQ54xx系列產(chǎn)品特性出發(fā)，分別討論垂直單晶工藝在過溫過流發(fā)生前，發(fā)生時和發(fā)生后三個時間段給芯片的過溫過流保護帶來的影響。

2.1 垂直單晶工藝對保護動作發(fā)生前累積能量及耗散能力的影響

為了保證在短路測試中高邊驅(qū)動芯片可以安全存活，一個最樸素的想法肯定是過流保護閾值越低越好，但是如果把過流保護閾值放得很低，就會嚴(yán)重影響很多對inrush電流有高要求的應(yīng)用場景，比較典型的就是鹵素?zé)魬?yīng)用和各種輸入端有大電容的負(fù)載模塊。所以在既有保護策略基礎(chǔ)上，肯定是希望電流保護點越高越好。在開關(guān)速度一致(電流上升速度近似)以及過流保護點近似的情況下，保護發(fā)生前，相同阻抗的高邊驅(qū)動芯片上累積的能量也是近似的。芯片在能量累積的同時也在進行散熱，合封產(chǎn)品的MOSFET和控制晶圓一般是通過bonding線連接的，所以用于散熱的面積主要是MOSFET自己，單晶工藝的電路晶圓只有一個，即使在都加入RDL的情況下，合封產(chǎn)品的散熱面積顯然不如單晶。如圖1(左為易沖半導(dǎo)體雙通道8毫歐高邊驅(qū)動芯片CPSQ54D08的單晶打線圖，右為同樣雙通道的多晶合封產(chǎn)品打線圖)，CPSQ54D08在單晶設(shè)計的基礎(chǔ)上還采用了垂直工藝設(shè)計整個電路，使得在相同面積下的MOSFET阻抗更小，能量累積也更低。而更強的散熱能力除了在過流保護中起到作用，對芯片允許的額定工作電流也影響巨大。

圖1

2.2 垂直單晶工藝對保護動作發(fā)生時芯片反應(yīng)速度的影響

在芯片本身對能量的累積-耗散能力得到保障的同時，一旦檢測到保護信號還需要過溫和過流信息能夠快速的傳遞到控制電路，并由控制電路做出反饋關(guān)斷MOSFET。

在圖1中可以看到多晶合封產(chǎn)品的控制電路(中間深色的晶圓)和MOSFET(上下倆個淺灰色的晶圓)之間通過打線傳輸信號。傳輸?shù)男盘柧桶鲜龅腗OSFET上檢測到的過流過熱信號和控制電路發(fā)出的開關(guān)管控制信號，雖然電信號的傳遞速度很快，但是保護過程中的相對過溫信號傳遞速度對芯片的保護至關(guān)重要，而溫度信息通過打線上傳輸?shù)倪^程中還要面對耗散和遲滯，往往過溫保護中一點點的延遲就會帶來MOSFET的燒損毀滅。所以很多合封產(chǎn)品的方案只能選擇降低相對過溫和過流的保護點，但這又會犧牲芯片帶動容性負(fù)載和鹵素?zé)舻哪芰Α?/p>

CPSQ54xx系列高邊全系的過流點都接近于對應(yīng)導(dǎo)通阻抗范圍的BTS70xx系列，主要原因就是二者都為單晶工藝，過溫過流保護速度相對迅速，可以在過溫過流發(fā)生時即刻關(guān)斷MOSFET。

2.3垂直單晶工藝對保護動作發(fā)生后承受關(guān)斷能量的影響

因為短路發(fā)生時OUT引腳和GND之間可能有不同的電感，芯片輸出迅速關(guān)斷的過程中電感兩側(cè)可能由于電流的快速變化產(chǎn)生感應(yīng)電壓，進而在芯片OUT引腳形成一個很大的負(fù)壓，VCC和VOUT之間的電壓差一般會達到35V以上，所以各家高邊芯片都做了VdsClamp功能鉗位這個電壓。Vds電壓和輸出電流決定了關(guān)斷能量。

由于芯片可以承受的關(guān)斷能量存在極限，所以在不同電感下允許關(guān)斷的電流是不同的，電感越小，允許的關(guān)斷電流就越大。最終芯片能承受的能力大小和不同工藝下MOSFET本身能力是息息相關(guān)的。CPS54D08的關(guān)斷鉗位波形如圖2。

圖2

3. 垂直單晶工藝在避免誤保護風(fēng)險中的作用

在保護功能能夠可靠的保護芯片以及滿足各種應(yīng)用場景的基礎(chǔ)上，還需要對保護功能的誤觸發(fā)進行關(guān)注。尤其是在一些要求較高的車規(guī)EMC測試環(huán)境下，PTI(手持發(fā)射機抗擾度), RI(輻射抗擾度), CI(瞬態(tài)傳導(dǎo)抗干擾)等種種不同的外加干擾會對芯片的正常工作提出挑戰(zhàn)。如果在干擾過程中保護動作誤觸發(fā)，必然導(dǎo)致功能短暫或長期的失效。

圖1中可以看到在抗干擾方面，易沖半導(dǎo)體的CPSQ54xx高邊系列因為采用垂直單晶工藝，避免了在晶圓外部傳輸敏感信號，天生對EMC中的各種干擾有良好的屏蔽作用。圖3和圖4來自CPSQ54D08的CI和RI測試摸底報告。測試環(huán)境均為額定電流負(fù)載測試。

圖3

圖4

4. 結(jié)語

各種復(fù)雜的車上應(yīng)用環(huán)境，對高邊驅(qū)動芯片的過溫過流保護能力有較高要求，這要求芯片在設(shè)計合理的保護策略的同時，具有足夠強悍的工藝來提升自身器件的SOA范圍。易沖半導(dǎo)體的CPSQ54xx高邊系列，全系采用垂直工藝的垂直單晶設(shè)計，已經(jīng)可以達到進口產(chǎn)品同等能力，為各類客戶的國產(chǎn)化推進鋪平道路。