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(hù)和診斷功能。其中過溫和過流保護(hù)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(hù)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(xì)解釋垂直單晶工藝對高邊驅(qū)動芯片過溫過流保護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)中對高邊驅(qū)動芯片保護(hù)能力的影響

不管是用哪種策略對芯片過流過溫工況進(jìn)行保護(hù)，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(hù)芯片，主要取決于三點(diǎn)： 芯片自身能抗住的能量總量是否夠強(qiáng) ， 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(hù)帶來的影響。

2.1 垂直單晶工藝對保護(hù)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(hù)閾值越低越好，但是如果把過流保護(hù)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(hù)策略基礎(chǔ)上，肯定是希望電流保護(hù)點(diǎn)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(hù)點(diǎn)近似的情況下，保護(hù)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(jìn)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(qiáng)的散熱能力除了在過流保護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)過程中的相對過溫信號傳遞速度對芯片的保護(hù)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(hù)中一點(diǎn)點(diǎn)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(hù)點(diǎn)，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(diǎn)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(hù)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(hù)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(jìn)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(dá)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(hù)風(fēng)險中的作用

在保護(hù)功能能夠可靠的保護(hù)芯片以及滿足各種應(yīng)用場景的基礎(chǔ)上，還需要對保護(hù)功能的誤觸發(fā)進(jìn)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(jī)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(hù)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(hù)能力有較高要求，這要求芯片在設(shè)計合理的保護(hù)策略的同時，具有足夠強(qiáng)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(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品同等能力，為各類客戶的國產(chǎn)化推進(jìn)鋪平道路。