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车用智能功率器件重塑次级市场

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摘要:车用智能功率器件重塑次级市场
车用电子行业已成为智能低电压负载控制的驱动力。随着机动车的标准电气系统用智能自保护器件代替保险丝和分立式元件,它们在其他市场上已得到广泛应用。应用于消费电子类产品的智能功率器件,性价比更高、容错性能更好、适用性更强、可靠性更高。这个正在扩展的市场对标准化器件具有独特的需求,半导体供应商非常乐意将这些标准化器件纳入到他们的商业计划中。

市场背景

在如今的汽车配电和电气控制系统中,智能高边开关已是标准构建模块。具备诊断功能的中高电流器件几乎消除了汽车负载管理中所使用的保险丝和可重置断路器。

在配电系统中,单个电路和相关配线受到智能高边开关的保护。在车体、照明和传动系统中,各个负载利用智能器件驱动,这些器件可能包括通过电流检测提供的诊断、带状态反馈的固定参数诊断以及/或者自我保护特性。自治式自我保护几乎已经普及。第一代高电流智能器件具有单通道输出功能,其分立式接口采用主流的封装外形。针对普通车辆的完全实施可能需要几十个高边智能开关。虽然这些开关仍然广泛应用于许多汽车配电中心的选择负载,但是数量较少。为了尽可能降低汽车系统的I/O要求,新型智能功率器件选择包括串行总线接口、多通道输出和软限制可编程性。

然而,OEM架构特定的部件可能具有未知的产品生命周期、潜在的强制性设计更改,或者成为导致无法预见的重新设计的EOL。多通道器件中软功能的集成度越高,则设计的优化程度也越高。然而,更好服务于次级市场的是由多个来源提供且软件复杂性最低的标准化器件。

使用标准化智能功率器件的二级制造商对这些器件具有最高可靠性是能够抱有期望的,因为这些器件完全符合AECQ101标准,其成本仍由多个市场的全球高销量驱动。

高边开关

高边开关是最常见的器件。它们代替传统的保险丝来保护线路,同时代替继电器或硅负载开关来进行控制。有两种常见的部署,即服务于市场中供应商的具有相似功能的宽范围负载电流:

(1)高负载电流——要求预驱动晶体管的电池参考接口,通常具有一定比率电流反馈。这些器件具有反向电压保护功能,可在反向负载条件下保护MOSFET。

图1 Vbb参考接口(FDDS10H04)

图2逻辑电平接口框图(FDDS100H06)

(2)低负载电流——接地参考逻辑电平反馈,带和不带状态反馈。

工作特性和电荷泵尺寸通常支持高达250Hz照明的PWM。这些类型的器件旨在在驱动 控制电磁阀等电感负载时,提供箝位以实现能量的快速衰减。

直流电机驱动

对于直流电机负载,采用普通尺寸和封装的P/N半桥器件可从多家供应商处获得。对于可变的高电流电机控制,P/N半桥提供自保护功能、负载电流监控以及更高频率的PWM操作。

这些高边开关和高电流半桥框图展示了很多常用的自保护功能:

•短路保护

•限流

•热关断

•过压保护和负载突降兼容性

•带滞后功能的欠压

•ESD保护

应用

高边智能开关是照明中最常用的器件。在12V系统中,典型插入式保险丝的电流范围为3A至30A。随着智能功率器件的出现,外加单个电路的诊断功能,照明负载往往是每个电路中较低的电流,这样就能实现更多单个电路的诊断。由于标志灯和位置灯演变成主要基于LED,因此负载电流进一步下降。

对于次级市场,这通常导致控制器系列具有可变数量的标准化输出,其编程或调节能按照特定的产品配置来进行。在应急车辆照明市场,特定的照明激活顺序可能因不同顾客而各异。在小型游艇和船舶市场,除了照明要求之外,可能还对各类泵、雨刮器或风扇的直流电机的辅助电源或控制器件有需求。

图4显示的是通用负载控制器框图,它可根据不同应用和市场进行缩放。有四种由通用输出定义的基本负载系列;其中有三种用于标准负载,例如照明或供电,而剩下的那一种则用于调速直流电机:

图3 P/N半桥框图

图4通用负载控制器

•低电流<4A(主要用于LED和单灯丝标志照明)

•中等电流<20A(用于灯饰照明、仪器和辅助电源)

•高电流10A至30A(用于更高功率照明和设备电源)

•高电流电机驱动<35A(用于在单向半桥和双向全桥操作中的调速冷却风扇和泵)

想象一种应用(比如:小型船只),在船上单向电机输出用于驱动舱底的风机和舱底的水泵。双向电机输出可用于功率调节操作。剩余的电源开关可用于船坞照明、泊船照明、驾驶舱照明、压力计电源、油泵、雨刮器、汽笛和所有其他低电压负载。

表1:飞兆智能功率产品

这些相同的负载类型和功能对于允许重复使用大量设计块的功能性器械、RV系统以及园林机械等而言是类似的。

由于所有智能功率器件的关断状态漏电电流设计为最小,因此图4中的Vbat电源在某些应用中可直接与电池系统连接。

常见的负载类型和设计问题

电阻性——主要显电阻性的典型负载可在不新增元件的情况下驱动。这就允许实现白炽灯和LED照明的脉宽调制(PWM)。

电感性——如果未抑制的电感尖峰(UIS)处于该器件的额定范围内,电感负载(比如:电磁阀)就可在不新增元件的情况下驱动。

直流电机——对于非PWM驱动的电机,高边开关通常可替换继电器。关断过程中的应力可能要求使用其他元件,比如一个再循环路径或MOV。

可调直流电机——对于使用P/N半桥的可调电机控制解决方案必须考虑PWM频率、要求的上升和下降时间以及效率问题。开关频率会影响辐射和PWM的准确性。PWM以及上升和下降时间会影响开关损耗(效率)。由于P/N器件的拓扑结构,如果需要反向电池保护,那么会要求使用其他的外置元件。

供电——辅助供电,辅助系统通常按电流负载处理。浪涌电流过大可能会要求采用 软启动或重试策略。

负载线路——在任何情况下,线规必须要考虑,那就是智能功率器件的自治式短路保护限制。

智能功率负载控制最常见的设计问题之一就是反向电池电压。通常情况下,照明不要求反向电池电压保护。

必须分别仔细检查其他负载的反向电池兼容性和保护。在Vbat电源中使用P沟道MOSFET或继电器的反向电池结构的优先级大于在智能功率器件中使用。常见于所有电路且要求反向电池保护的 功率继电器还可提供“零关断状态”耗电量。对于长期未使用的设备而言,这个问题可能需要特别关注。

飞兆半导体的产品针对次级市场上的低电压配电和负载控制可提供完整的解决方案。高边开关包括:

采用DPak 5引脚封装的FDDS100H06单片器件非常适用于10W左右的白炽灯、LED标志照明以及低电流电磁阀。

分别采用DPak 5引脚和D2Pak 7引脚封装的FDDS10H04和FDBS09H04是片芯堆叠器件,能够处理较高的负载电流,具有成比例负载监控功能。

采用D2Pak 7引脚封装的FAN7093设计用于处理高达35A的直流电机的可调PWM驱动。它通过具有竞争力的产品获得改进,这些产品具有较高的工作频率,灌电流和源电流与电流输出成正比。

所有飞兆车用智能功率开关均符合AECQ101标准并且工作温度为-40℃至150℃。设计支持包括产品资料、应用指南和现场应用工程。
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