為了幫助滿足嚴(yán)苛的排放和燃油經(jīng)濟性標(biāo)準(zhǔn)，汽車制造商越來越多地轉(zhuǎn)向電子元件尋求幫助。許多以前的機械操作，如液壓輔助動力轉(zhuǎn)向，正在被電動機取代;其他功能正在結(jié)合，產(chǎn)生了諸如集成啟動器/交流發(fā)電機（ISA）之類的組件。

新的電子模塊付出了代價：它們對傳統(tǒng)的12 V電源系統(tǒng)提出了額外的要求，特別是在當(dāng)電池驅(qū)動的起動電機必須旋轉(zhuǎn)發(fā)動機直到燃燒開始時，起動操作。在此期間的大電流消耗將電池電壓降低到其正常水平的一小部分。冷溫會使問題變得更嚴(yán)重，因為它會增加油的粘度，從而增加電池的負(fù)載，進一步降低電壓。

最近引入停止/啟動技術(shù)，自動關(guān)閉發(fā)動機以減少當(dāng)車輛處于紅燈怠速或交通堵塞時，排放和節(jié)省燃?xì)猓捎诖罅康那录?，使得控制電池電壓的任?wù)更加困難。

設(shè)計復(fù)雜性更加復(fù)雜嚴(yán)格的汽車模塊操作和功能標(biāo)準(zhǔn)，必須在曲柄期間滿足，以確保安全性，更好的駕駛員體驗，或兩者兼而有之。

更嚴(yán)格的測試反映新的要求

作為汽車電子元件數(shù)量增加，標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)，如國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）和汽車工程師協(xié)會（SAE）正在加強與起動事件有關(guān)的資格測試。圖1顯示了模擬發(fā)動機曲軸的電壓隨時間變化的典型測試曲線。最初電壓為VB，表示靜態(tài)條件下的電池電壓。當(dāng)模擬發(fā)動機開始翻轉(zhuǎn)時，模擬電池上的負(fù)載增加，導(dǎo)致測試電壓降至VT的低電平，在此時間t4保持時間直到緩慢恢復(fù)。

圖1：典型的冷啟動測試曲線有幾個部分對應(yīng)于從初始接通到發(fā)動機啟動的不同曲柄級。 （圖片由意法半導(dǎo)體提供）

ISO已發(fā)布了一套廣泛采用的涵蓋汽車電氣環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)。他們的ISO 7637-2（測試脈沖4）模擬起動事件。

在歐洲，包括保時捷，大眾，寶馬和奧迪在內(nèi)的德國制造商聯(lián)盟開發(fā)了LV 124測試標(biāo)準(zhǔn)。 LV124 E-11啟動脈沖測試有兩個級別，“正?！焙汀皣?yán)重”;每一個都根據(jù)圖1所示的啟動曲線定義一組特定的電壓電平和時間。在“嚴(yán)重”測試中，器件必須在VT低至3 V時工作。

半導(dǎo)體如繼電器更換

即使在增加電子內(nèi)容之前，半導(dǎo)體驅(qū)動器也在逐漸取代汽車中的機電繼電器。盡管繼電器在20 A以上的負(fù)載下仍然很受歡迎，但它們體積龐大，在運行期間消耗大量功率，是開/關(guān)設(shè)備，無法適應(yīng)復(fù)雜的診斷和保護策略。

作為繼電器替代品，半導(dǎo)體驅(qū)動器在以下情況下特別具有吸引力：

輕負(fù)載小于1

需要PWM控制的負(fù)載，如可調(diào)光燈，變速電機，需要軟啟動運行的負(fù)載

具有復(fù)雜診斷或監(jiān)控要求的負(fù)載

高側(cè)開關(guān)負(fù)載低于20 A

高端驅(qū)動器與低端驅(qū)動器

圖2：低端驅(qū)動器配置（a）最適合動力總成負(fù)載如電機和加熱器，而高側(cè)驅(qū)動器配置（b）更適合燃油泵和車身相關(guān)功能，如座椅，照明，雨刷和風(fēng)扇。 （圖片由安森美半導(dǎo)體提供）

驅(qū)動負(fù)載有兩種基本方法（圖2）。低側(cè)驅(qū)動器放置在負(fù)載和地之間，而高側(cè)驅(qū)動器（如圖2（b）所示）放置在負(fù)載和電源電壓之間。低側(cè)驅(qū)動器通常用于與動力總成相關(guān)的負(fù)載，例如電機，螺線管和加熱器。高側(cè)驅(qū)動器用于燃油泵和車身相關(guān)功能，如座椅，照明，雨刷和風(fēng)扇。

這兩個驅(qū)動器的主要區(qū)別在于它們對故障狀況的響應(yīng)。在汽車中，由于接地的金屬板無處不在，因此短路接地故障比短路電源故障更容易發(fā)生。對于低側(cè)驅(qū)動器，短接地條件將永久地打開負(fù)載。對于高端驅(qū)動器，它會將驅(qū)動器輸出短接到地，因此驅(qū)動器需要保護電路。

相反的情況將適用于短路電源故障：低端驅(qū)動器將被短路到供電和需要保護，而高端負(fù)載將永久開啟。

這種不同的響應(yīng)決定了一個驅(qū)動器在另一個驅(qū)動器上的使用;例如，在帶有低側(cè)駕駛員的燃油泵中，由于碰撞導(dǎo)致的對地短路可能會對燃油泵造成潛在的災(zāi)難性后果。

低側(cè)駕駛員已經(jīng)自20世紀(jì)80年代以來廣泛用于發(fā)動機和變速器控制，但高端驅(qū)動器的廣泛采用是相當(dāng)新的。最初使用的是車身功能，如電動馬達(dá)或鏡子，但最近主要因素是LED照明的擴展。從最初的內(nèi)飾使用來看，LED照明已經(jīng)擴展到轉(zhuǎn)向燈和剎車燈，現(xiàn)在正在大燈中出現(xiàn)。汽車LED大燈系統(tǒng)通常由高側(cè)智能LED驅(qū)動器組成，控制串聯(lián)串聯(lián)的多個LED。

智能高側(cè)驅(qū)動器設(shè)計

高端設(shè)計驅(qū)動程序比同等的低端設(shè)備復(fù)雜一些;一個原因是它通常使用n溝道MOSFET（NMOSFET）作為功率元件。 NMOSFET是優(yōu)選的，因為它們可以制造得比p溝道器件更小且更便宜，以獲得相同的性能。但是，NMOSFET通過將柵極電壓升高到漏極電壓以上而導(dǎo)通。在汽車應(yīng)用中，漏極電壓通常是系統(tǒng)中的最高電壓（即電池電壓），因此需要使用電荷泵將柵極電壓提升到足夠的水平。

組合控制由于封裝或工藝限制，驅(qū)動器IC與低導(dǎo)通電阻分立MOSFET配合使用是第一種方法，但較新的器件已將兩種器件集成到一個封裝中。

例如，意法半導(dǎo)體采用的制造工藝允許在同一芯片上集成數(shù)字或模擬控制電路和垂直功率晶體管（圖3）。在VIPower的名稱下，該技術(shù)生產(chǎn)出一種單片硅芯片，它將控制和保護電路與標(biāo)準(zhǔn)功率MOSFET結(jié)構(gòu)相結(jié)合，其中功率級電流垂直流過硅片。

圖3：STMicroelectronics的VIPower高端功率驅(qū)動器IC將NMOS控制電路與垂直DMOS功率晶體管相結(jié)合。顯示的是第一代（M0）設(shè)備的結(jié)構(gòu); VIPower系列現(xiàn)在達(dá)到M7級別。 （圖片由STMicroelectronics提供）

完整的VIPower系列現(xiàn)在包括600多種具有多種可選功能的設(shè)備。圖4顯示了一個VIPower器件的框圖，以及四個可能的選項：

反向電池保護，允許自動開啟功率MOSFET

最多四個通道集成功率MOSFET

擴展監(jiān)控選項

可配置自動重啟或閂鎖

示例設(shè)備VND7140AJ12是雙通道高端驅(qū)動器采用電源SSO-12封裝。該器件通過3 V和5 V CMOS兼容接口驅(qū)動12 V汽車接地負(fù)載。它提供保護和診斷功能，如負(fù)載電流限制，電源過載的主動管理和過溫關(guān)斷。

電流檢測引腳輸出與負(fù)載電流成比例的高精度電流。它還表示檢測到過載，接地短路或電源電壓或開路負(fù)載等故障情況。檢測使能引腳允許在低功耗模式下禁用關(guān)斷狀態(tài)診斷功能。

圖4：VIPower HSD架構(gòu)包含廣泛的功能一系列診斷和保護功能。 （圖片由STMicroelectronics提供）

VND7140AJ12設(shè)計用于在沒有外部元件的發(fā)動機啟動脈沖期間工作。特別地，該部件在LV 124 E-11測試期間和之后滿足“正?！焙汀皣?yán)重”起始脈沖的所有功能。此性能被歸類為“功能狀態(tài)A”，最高級別。

其他制造商采用不同的方法進行智能驅(qū)動程序集成。英飛凌科技的PROFET系列智能高端開關(guān)將DMOS功率晶體管與CMOS邏輯電路結(jié)合使用，采用“芯片上芯片”技術(shù)，邏輯IC安裝在功率晶體管的頂部。

PROFET器件具有廣泛的故障診斷功能，可提供過載，短路，過熱，接地?fù)p耗，電源損耗和靜電放電（ESD）保護。它們還能夠防止動態(tài)過壓事件，例如負(fù)載突降和感性負(fù)載關(guān)閉。例如，BTS442E2的最大導(dǎo)通電阻為18mΩ，最大工作電壓為42 V，典型負(fù)載電流為21 A.

圖5：BTS442E2 PROFET智能高端驅(qū)動器采用“芯片上芯片”封裝技術(shù)，在單個封裝中具有兩個獨立的芯片。 （圖片由英飛凌科技公司提供）

PROFET系列有多種不同的訂購選擇，包括微型功率封裝的miniPROFET系列。例如，BSP452CT-ND是一款單通道器件，具有160mΩ電源開關(guān)，可輸出高達(dá)700 mA的電流;它采用SOT223-4封裝。

其他高端分區(qū)選項

還有其他選項可滿足LV 124和ISO7637-2冷啟動要求。由于并不總是能夠找到能夠在最低測試電壓下工作并滿足所有其他應(yīng)用要求的高端驅(qū)動器，因此一種選擇是使用降壓 - 升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器將電源電壓維持在可接受的水平例如，德州儀器（TI）的LM5118可以在冷啟動事件期間保持輸出穩(wěn)壓，輸入電壓低至2.5 V.

采用這種方法的一種解決方案可以將LM8115與高端驅(qū)動器配對例如TI的TPS2022DRG4Q1。該高端器件具有33mΩMOSFET開關(guān)，包括短路保護，熱保護和欠壓鎖定。幸運的是，TPS202x系列提供了多種選擇。

結(jié)論

雖然低端驅(qū)動器已經(jīng)使用多年，但提供高端輸出的智能功率驅(qū)動器越來越多地被用于汽車應(yīng)用，特別是座椅，鏡子和LED照明等車身功能。

此外，為了推動設(shè)計要求并行工作，需要在冷啟動條件下保持運行，從而產(chǎn)生新的，更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，例如最新的ISO7637-2和LV 124測試。值得慶幸的是，制造商已采用新一代驅(qū)動程序和設(shè)計選項來幫助設(shè)計人員應(yīng)對這些新挑戰(zhàn)。