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如何正确选择汽车控制器中的高边和低边驱动?

2019-09-03 高杨 阅读:
如何正确选择汽车控制器中的高边和低边驱动?
汽车电子系统中的功率开关有高边驱动(HSD)、低边驱动(LSD)和桥式开关。在汽车控制器中,汽车功率IC主要用在前/后电机继电器、真空泵继电器、PTC继电器、电源总正继电器、电源总负继电器等处。到底是采用高边还是低边开关,有一定的权衡和考虑。

汽车功率驱动涵盖的范围很宽,包含汽车电子的IC应用系统和功能元件。它们都有一个主要功能,即实现从几毫瓦到几千瓦电能的供应、变换或驱动。这些IC的工作范围和12V、24V和48V的汽车电气系统电压相适应。范围从简单的MOSFET到带有集成保护电路和诊断功能的高边、低边和桥式开关,以及线性电源调整IC和开关电源调整IC,一直到用于ABS和安全气囊等安全系统的高集成ASIC。汽车电子系统中的功率开关有高边驱动(HSD)、低边驱动(LSD)和桥式开关。Gp5ednc

在汽车控制器中,汽车功率IC主要用在前/后电机继电器、真空泵继电器、PTC继电器、电源总正继电器、电源总负继电器等处。到底是采用高边还是低边开关, 有一定的权衡和考虑。Gp5ednc

对汽车控制器系统中的汽车功率IC采用低边驱动,需要考虑以下细节内容:Gp5ednc

  • 负载的正常电流有多大?最大电流是多少?
  • 负载是否为容性?如果是容性,冲击电流是多少?
  • 负载是否为感性?如果是感性,关断时的能量是多少?
  • 负载的控制方式是On/Off方式还是PWM?如果是PWM,频率和占空比是多少?
  • 负载的工作环境温度是多少?极限温度是多少?
  • 系统如果地线开路,对负载有何影响?
  • 需要功率IC的封装方式是SMT还是通孔方式?如果是SMT,有多大的面积连接到功率IC的散热片?如果是通孔方式,采用什么形状的散热器?
  • 负载是否需要诊断?如果需要,需要哪些诊断,过流、过压、过温还是短路等?
  • 负载是否有以下应用:反向电池电压、抛负载、过电压等等?

对汽车控制器的系统中的汽车功率IC采用高边驱动,需要考虑以下细节内容:Gp5ednc

  • 负载正常电流有多大?最大电流是多少?
  • 负载是否为容性?如果是容性,冲击电流是多少?
  • 负载是否为感性?如果是感性,关断时的能量是多少?
  • 负载的控制方式是On/Off方式还是PWM?如果是PWM,频率和占空比是多少?
  • 负载的工作环境温度是多少?极限温度是多少?
  • 需要功率IC的封装方式是SMT还是通孔方式?如果是SMT,有多大的面积连接到功率IC的散热片?如果是通孔方式,采用什么形状的散热器?
  • 负载是否需要诊断?如果需要,需要哪些诊断,过流、过压、过温还是短路等?
  • 负载是否有以下应用(反向电池电压、抛负载、过电压、等等)?

以下给出了在采用高边驱动和低边驱动在驱动负载时的一些比较:Gp5ednc

1)导通电阻Gp5ednc

导通电阻有时候也译成通态电阻。在同样的条件下,NMOSFET的导通电阻比PMOSFET要小。这是因为电子的导通速度比空穴快,因而影响到导通电阻。因此,为了追求低导通电阻,在某些高边的驱动应用中,是用充电泵加上NMOSFET来完成PMOSFET作为高边的应用。付出的代价是价格变高,驱动电路也比低边驱动复杂。Gp5ednc

2) 采样电路Gp5ednc

对于高边驱动的保护,如果需要电流采样,必须用差分的配置才能实现;而对于低边驱动,采用单端配置就可以。由于采用差分电路的成本高于采用单端的成本,因此从这个意义上说,低边驱动比高边驱动具备成本优势。Gp5ednc

3) 线制的要求Gp5ednc

由于现在的汽车的多为负极搭铁,采用高边驱动给负载供电有一系列的好处。如果负载的一端直接接在底盘的地上,则只需要一根线给负载供电,这就节省了整车系统的成本。Gp5ednc

4) 失效对系统的影响Gp5ednc

这是依据系统的要求,选择哪种类型的负载。在飞机的负载失效类型中,如果负载失效,最安全的方式是让负载继续运行下去;而对于汽车的负载应用,则正好相反。例如在发动机管理的控制单元中,控制油泵的开关就是高边驱动电路。这是因为在大多数的情况下,当驱动模块失效时,要关掉油泵,而高边驱动就能很好地满足这个要求。这种设计在发生车祸或系统失效时非常有利。Gp5ednc

表1对高边驱动和低边驱动进行了全面比较(“-”代表劣势项,“+”代表优势项)。Gp5ednc

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表1:高边驱动和低边驱动的全面比较(“-”代表劣势项,“+”代表优势项)。Gp5ednc

综上所述,无论是采用高边开关还是低边开关,都是各有优劣。最终在汽车控制器中选用那种方式的驱动,还是要看在哪种场合应用,以及诊断类型和失效后所造成的影响。综合考虑后才能在整车控制器的驱动类型选择中做出折衷判断。Gp5ednc

本文为《电子技术设计》2019年9月刊杂志文章。Gp5ednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
高杨
近20年在汽车电子TOP10公司经验,特别是在车载控制器领域(多媒体、车身、驾驶辅助及VCU)。曾任职博世汽车专家级工程师,超过10年在汽车零部件(博世和大陆汽车),5+年汽车半导体(德州仪器和英飞凌),历任多种资深(系统、设计、产品)工程师职务。丰富的平台开发(从0到1)及产品开发的工程经验和技术积累。 Ford SYNC第一代的核心硬件工程师,定义和开发了德州仪器(TI)第一款智能高边驱动器(TPS1H100-Q1),填补了公司在汽车电子市场的技术路线和市场空白。 整理和标准化了与设计开发的技术文件,可以直接用于指导设计及融入公司的文件体系中,满足体系审查要求和提高公司的设计流程和管理水平。硬件设计流程管理的模板(45+篇),硬件设计评审和检查清单模板(50+篇)。 企业内训师认证(TTT) ,超过2500页汽车电子设计培训内容PPT,满足从入门、中级及高级汽车电子设计的培训要求,目前在4家企业内部实施过培训,收到了很好的反馈。 目前获得13件汽车电子专利(截止2019年12月)。《EDN电子技术设计》汽车电子专栏作者ednchina.com/author/gaoyang
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