作者： Bill Schweber

“簡(jiǎn)單易行”是眾所周知的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和良好的工程實(shí)踐。畢竟，添加的組件越多，出錯(cuò)或出現(xiàn)意外的可能性就越大。此外，還會(huì)對(duì)材料清單 (BOM) 產(chǎn)生明顯的影響。

盡管如此，每一條準(zhǔn)則都有很多合理的例外情況。尤其是當(dāng)你希望設(shè)計(jì)一款堅(jiān)固耐用、“刀槍不入”的產(chǎn)品，能夠同時(shí)在正常和極端環(huán)境下工作，承受可預(yù)見(jiàn)和不可避免的壓力時(shí)，更是如此。為了提高完整性，你可能還希望減少對(duì)系統(tǒng)微控制器單元 (MCU) 處理破壞性事件的依賴(lài)，轉(zhuǎn)而依靠更快、更可靠的內(nèi)置硬件，盡量少用或不用軟件。

我們來(lái)考慮一下基于 MOSFET 的電源開(kāi)關(guān)，這種器件已廣泛用于汽車(chē)和其他應(yīng)用中，取代了傳統(tǒng)的機(jī)電式繼電器。數(shù)十種這類(lèi)固態(tài)開(kāi)關(guān)為發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、照明、制動(dòng)、布線(xiàn)和懸掛控制機(jī)構(gòu)的電源軌提供簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)控制。這類(lèi)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的使用壽命超過(guò)一百萬(wàn)次，而且與機(jī)電繼電器不同，在惡劣的汽車(chē)環(huán)境中不易因接觸摩擦、老化、氣體或碳化物而導(dǎo)致觸頭失效。

從概念上講，制造一般的“接通/斷開(kāi)”式開(kāi)關(guān)非常簡(jiǎn)單。但是，這些基于 MOSFET 的開(kāi)關(guān)在啟動(dòng)或正常運(yùn)行期間切換高能量電路時(shí)，可能會(huì)因短路和瞬態(tài)而發(fā)生故障。因此，必須在開(kāi)關(guān)周?chē)惭b各種具有保護(hù)作用的能量吸收元件，使其成為更精密的設(shè)備。這些新增元件可以安裝在 MOSFET 開(kāi)關(guān)外部或其封裝內(nèi)，從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐豢罨镜?a href="http://www.delux-kingway.cn/v/" target="_blank">智能功率器件 (IPD) 開(kāi)關(guān)（圖 1）。

圖 1：簡(jiǎn)單的 MOSFET 可用作電源開(kāi)關(guān)（左圖），但缺乏能量吸收元件（右圖）來(lái)保護(hù)其免受現(xiàn)實(shí)際中不可避免的瞬態(tài)和短路的影響。（圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor，作者修改過(guò)）

不止于此

除了在電源開(kāi)關(guān)周?chē)褂煤线m的元件外，還有更多的保護(hù)措施。幾乎所有載流軌都需要保護(hù)，以防止過(guò)大電流損壞電源開(kāi)關(guān)或其負(fù)載電路。這些過(guò)流事件通常由負(fù)載內(nèi)部故障造成。

你可能會(huì)認(rèn)為過(guò)流保護(hù)的解決方案很簡(jiǎn)單，而且眾所周知：只需在電源軌上安裝一個(gè)基本的熱熔式保險(xiǎn)絲即可。如果出現(xiàn)過(guò)流，保險(xiǎn)絲熔斷，從而完全切斷破壞性電流的流動(dòng)。

保險(xiǎn)絲解決方案固然有效，但在某些方面，就顯得矯枉過(guò)正。一旦保險(xiǎn)絲熔斷，系統(tǒng) MCU 既無(wú)法了解負(fù)載模塊的情況，也無(wú)法對(duì)其進(jìn)行管理。

因此，許多關(guān)鍵電路還采用了電流監(jiān)控功能。這樣，MCU 就能讀取過(guò)流檢測(cè) IC 檢測(cè)到的錯(cuò)誤信號(hào)，并根據(jù)情況的細(xì)微差別向 IPD 開(kāi)關(guān)發(fā)送信號(hào)，啟動(dòng)關(guān)機(jī)或重復(fù)關(guān)機(jī)/重啟操作。

然而，這可能會(huì)導(dǎo)致電路運(yùn)行不穩(wěn)定或其他故障。相比之下，[ROHM Semiconductor] 的 [AECQ-100 系列]中先進(jìn)的 IPD 開(kāi)關(guān)可提供保護(hù)，而無(wú)需介入 MCU。這些獲得了汽車(chē)認(rèn)證 (AEC-Q100) 的器件提供單通道和雙通道配置的低壓側(cè)或高壓側(cè)開(kāi)關(guān)。該系列可采用多種 8 引腳封裝，支持多種電壓和電流電平。

例如，[BD1HD500FVM-CTR]是一款單通道高壓側(cè)開(kāi)關(guān)，導(dǎo)通電阻 (R DS(ON) ) 為 500 mΩ ，限流值為 1.45 A，采用 8 引線(xiàn) MSOP 封裝。相比之下，單通道 [BV1LB025EFJ-CE2]是低壓側(cè)開(kāi)關(guān)，RDS(ON) 為 45 mΩ ，限流值為 13 A，采用 HSSOP-C16 封裝。

AECQ-100 系列 IPD 開(kāi)關(guān)可在保護(hù)發(fā)揮作用期間提供最小電流電平，因此如果電路產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，仍可繼續(xù)工作。這樣，在電路運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)非致命性異常時(shí)，就有可能發(fā)出緊急“呼叫”。

此外，這些先進(jìn)的 IPD 開(kāi)關(guān)還能防止電路停電。如果由于老化而導(dǎo)致機(jī)械負(fù)載增加，造成電流消耗水平上升時(shí)，就會(huì)發(fā)生停電。由于無(wú)需通過(guò) MCU 即可獨(dú)立運(yùn)行，因此不僅減少了該功能所需的元件數(shù)量，而且提高了可靠性（圖 2）。

圖 2：使用標(biāo)準(zhǔn) IPD 開(kāi)關(guān)時(shí)，關(guān)斷是唯一的選擇。但是，ROHM IPD 開(kāi)關(guān)支持浪涌電流保護(hù)以及之后的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。（圖片來(lái)源：rohm semiconductor）

保險(xiǎn)絲還有另一個(gè)考慮因素。具有明確工作裕度的標(biāo)準(zhǔn)保險(xiǎn)絲，可防止在系統(tǒng)或模塊上電階段因較大浪涌電流而導(dǎo)致電源意外切斷（圖 3，上部）。然而，這種緩沖或“遮蔽”會(huì)干擾所需的極限設(shè)置。

相比之下，ROHM 的 IPD 開(kāi)關(guān)可以防止浪涌電流，無(wú)需遮蔽。（圖 3，底部）

圖 3：傳統(tǒng)的熱保險(xiǎn)絲有一個(gè)模糊區(qū)域，用于遮蔽和阻止由于浪涌電流而造成的意外啟動(dòng)（上圖），而 ROHM IPD 開(kāi)關(guān)則具有更復(fù)雜的閾值和限制（下圖）。（圖片來(lái)源：rohm semiconductor）

因此，即使在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間出現(xiàn)微小的電流異常，也能進(jìn)行高精度檢測(cè)。同時(shí)，由于仍可向負(fù)載模塊提供最小電流，而不是在異常發(fā)生后立即將其關(guān)閉，因此系統(tǒng) MCU 仍可嘗試訪(fǎng)問(wèn)該模塊進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，同時(shí)檢測(cè)運(yùn)行期間的異常情況。

縱觀(guān)全局

使用輔以各種保護(hù)元件和功能的功率器件是實(shí)施有效電源軌管理的必要步驟，但這樣還不夠，尤其是在惡劣的汽車(chē)環(huán)境中。在過(guò)流情況下，還需要更多的保護(hù)和靈活性。

結(jié)束語(yǔ)

簡(jiǎn)單易行是一個(gè)值得追求的設(shè)計(jì)目標(biāo)，但現(xiàn)實(shí)中各種考慮因素及其微妙之處往往意味著，在實(shí)際應(yīng)用中，增加一點(diǎn)復(fù)雜性是一種謹(jǐn)慎和更好的方法。通過(guò)使用 ROHM AECQ-100 系列的 IPD 開(kāi)關(guān)，可以用較少的元件實(shí)現(xiàn)固態(tài)電源設(shè)備的可靠性、靈活性和優(yōu)勢(shì)，同時(shí)獲得保險(xiǎn)絲無(wú)法提供的識(shí)別和保護(hù)功能。

審核編輯 黃宇