高边智能固态开关概述

辛建平 张文东

陕西群力电工有限责任公司 陕西 宝鸡 721300

引言

近年来，由于车载电子控制系统和半导体器件的飞速发展，对车载电子控制系统的要求提出更高的要求，汽车生产厂商往往要求车载电子系统能在尽可能小的空间大幅提高其能源效率。目前，车载系统中的半导体器件主要包括微处理器、传感器、功率半导体等，功率半导体器件主要应用在车载系统中的动力控制系统、照明系统、燃油喷射、底盘安全等系统中。车载功率半导体器件包含的范围很宽，从高、低压MOSFET、到带有保护电路和诊断功能的高边、低边和桥式开关、电源调整集成电路、一直到用于ABS和安全气囊等安全系统的专用集成电路。高边固态开关是集控制电路、驱动电路、保护电路和功率输出开关为一体的高效集成器件，可以提高系统效率，节约成本，其与微处理器组合在一起，可以驱动电机、照明、传动等各种负载，并提供必要的保护功能，在目前的车载控制系统中得到广泛应用，可以大大降低系统成本和减少短路危害。

1 高边智能固态开关的工作原理

高边智能固态开关也称智能固态继电器或高边开关，其主要由控制电路、驱动电路、检测保护电路、功率器件以及逻辑和外围接口电路组成。实际应用中与高边功率开关对应的还有低边功率开关，高边和低边的区别在于输出功率MOSFET器件是接在电源端还是GND端，实际应用中，高边和低边开关均有各自的优缺点，具体选用哪一种方式，就要从系统的驱动方式、故障诊断类型、失效导致的结果等进行综合考虑，作出选择。

1.1 控制电路

高边固态开关控制电路由逻辑电路实现，通过综合处理检测信号，输出相应的控制逻辑信号，控制驱动电路的工作，并且根据检测结果，向外反馈器件的故障原因及开关状态等，比如过温保护、短路保护、欠压保护、过压保护、负载检测等开关状态信息。

1.2 驱动电路

驱动电路采用电荷泵电路驱动功率MOSFET器件，通过电荷泵升压电路连接MOSFET的栅极，对功率MOSFET的栅极进行充放电，控制其接通和关断。栅极保护电路会对充电电压进行保护，确保栅极电压不会超出其栅源电压范围，避免栅极击穿，导致功率MOSFET损坏。电荷泵具有电路简单可靠，电路效率高，低输出纹波等特点，是功率MOSFET器件驱动常用的驱动方式。

1.3 检测保护电路

高边固态开关的检测保护电路一般包括欠压保护、过压保护、短路保护、过温保护、负载开路检测等等，有些高边开关还具有反极性保护功能，用于在工作电源接反情况下的保护，避免造成器件失效。欠压和过压保护是对电源电压的保护，当电源电压低于或高于器件的保护值时，输出关断。短路保护是对输出功率MOSFET的保护，当负载出现短路或电流超出短路动作值，控制电路输出控制信号切断驱动电路，驱动电路的电荷泵无输出，功率MOSFET关断。

过温保护主要也是对输出功率MOSFET的保护，因为功率MOSFET是高边开关内发热相对比较高的电路单元，当内部温度超出器件设定温度时，输出功率MOSFET被关断，内部温度低于器件复位温度时，输出开关状态复位。负载开路检测是高边固态开关外接负载出现故障时，通过控制电路输出故障信号[1]。

1.4 功率输出部分

功率输出是高边开关的核心部分，是控制、驱动和保护电路的执行机构，也是高边固态开关中功耗最大的电路单元，负责输出负载的接通和关断。目前固态开关主要采用两种结构的功率MOSFET器件，即VDMOS和LDMOS，两种结构的MOSFET各有优缺点，但高边固态开关一般采用LDMOS作为输出功率器件，因为LDMOS更易于与CMOS工艺兼容，利于高边智能开关的生产制造。

2 高边智能固态开关的发展和应用

2.1 高边智能固态开关的发展

高边智能固态开关是基于CMOS工艺在功率型MOSFET基础上逐渐发展而来的。国外一些技术人员在20世纪80年代首先开发出了以LDMOS为核心的智能功率模块，并集成了驱动、控制和保护电路，但是由于当时技术和工艺的瓶颈，产品的功能和指标相对比较低。

20世纪90年代是集成电路和半导体功率器件的飞速发展时期，无论是技术水平和工艺制造水平得到了大幅的提升，国外很多知名的大公司都投入到了集成电路和功率器件的开发。1993年，还属于西门子半导体事业部的英飞凌推出了第一代智能型高边开关PROFET,该系列产品具有过温保护、过压保护、负载突降保护、短路保护、反极性保护、ESD防护等，有12V和24V两种电压系列，工作电流从1A～20A。在随后的时间内，为了满足车载和工业电子控制系统的需求，英飞凌公司在第一代智能型高边开关PROFET的基础上，陆陆续续推出了第二代、第三代、第四代系列产品，产品的封装更小，输出有单通道、双通道、四通道、八通道，工作电压有12V、24V、48V系列，工作电流最大到40A，导通电阻从2～200mΩ，产品的功耗更低。英飞凌公司最新的基于SMART7技术的高边固态开关，采用英飞凌的300mm薄晶圆制造技术，使器件功耗降低55%，封装尺寸缩小40%，该系列产品在行业内树立了最低导通电阻(2mΩ)和最小封装尺寸（TSDSO-14EP）两个标杆。

在近20年来，随着半导体技术的飞跃式发展，以及车载电子控制系统和工业控制系统智能化的需求，全球较大的公司，都进行了高边固态开关的开发和推广，如美国的德州仪器、安森美、威世（并购仙童公司），欧洲的意法半导体、恩智浦，日本的东芝、罗姆等公司都先后推出基于功率MOSFET的集成高边智能开关。目前市场上应用比较多的主要集中在英飞凌、意法半导体、安森美公司的相关系列产品上，各大公司的高边智能开关产品基于各自的工艺水平和应用方向，均有各自的特点。

由于我国电子技术发展相对滞后，同时因国外大公司对相关领域的市场垄断和技术封锁，导致国内高边开固态开关的研究起步比较晚。目前各高校和科研院所在进行相关产品的研发和应用推广，因为半导体设计技术和生产制造工艺水平的制约，国内厂家还没有相关器件的推出。

近年来由于自动驾驶技术和国内新能源汽车的兴起，车载电子控制系统对功率器件的可靠性和智能化要求越来越高，这也为高边智能开关的发展提供了有利的契机。

2.2 高边智能固态开关的应用

根据实际应用情况，由于控制负载的不同和接线方式等因素，高边固态开关主要有正常模式、反流模式和反接模式三种工作模式。

当电源供电电压VBAT高于输出负载电压VOUT时，处于正常工作模式下，电池极性连接正确，且VBAT高于或等于VOUT，因为VBAT≥VOUT，MOSFET寄生二极管反向偏压，MOSFET不导通，此时高边固态开关断开，MOSFET没有电流通过，如果单片机发出控制指令接通高边开关，电流从电池流经MOSFET，然后到达负载，负载执行相应的动作。

在实际应用中，可能出现电池电压VBAT低于输出负载电压VOUT，反流模式情况的特征是正极供电电压+VBAT低于输出负载电压VOUT，从而导致电流流向与正常负载电流流向相反。单纯的阻性负载不会造成反流模式状况，只有容性或感性负载才会造成此种情况，反流模式情况通常是瞬时的，主要是由于高边开关控制的是电机或电磁铁等感性负载。感性负载在断开时，会在电机或电磁铁的线圈两端产生一个较高的反向电压，这个电压与线圈的电感量有关，此时通过MOSFET的寄生二极管形成反向电流通路。反流模式是控制感性负载所产生的一种电路现象，由于高边固态开关具有抗反向电流指标，因此在其可承受的范围内，反向电流流不会对器件造成影响。

更换汽车电池或维护电子系统时，由于操作人员的疏忽，会出现电池的极性可能接反的情况。虽然电池端子有标识或颜色区分，但反接情况在实际中还是存在的，这种情况很可能损害汽车电子系统。汽车可承受这种反极性的电压幅值和时间，由各个汽车制造商决定，但必须满足行业电子产品的保护要求。目前市场上的高边固态开关产品有些内部集成了反接保护模块，如：英飞凌公司基于PROFET+2技术的新一代高边智能开关，内部GND端均集成反向保护二极管。没有反接保护功能的高边固态开关在应用时，需要增加反接保护电路，一般采用在GND端串接限流电阻、二极管、小功率MOSFET器件的方法来实现保护。

目前，高边开关在汽车控制系统主要应用在电热丝加热（如座椅加热、方向盘加热、雨刮器加热、空调等），电力传输（负责外设供电，为摄像机、车身控制模块、辅助电源插座、点火继电器等供电），功率传输（为喇叭控制，启停继电器线圈、燃油泵等供电）。

汽车电子控制系统中环境状况复杂恶劣，高边开关特有的诊断功能和保护机制可以提高系统的可靠性，借鉴高边开关在汽车电子控制领域的经验，很方便的可将应用经验延伸和扩展到其他工业领域，如工业自动控制、工业照明及电机控制等相关功率控制电路。工业控制中，单片机时刻监测各个模块的工作状态是很有必要的，特别是涉及安全的模块，使用智能高边开关，可以让各个模块实时反馈工作状态[2]。

在目前的工业自动控制系统中，采用单一MOSFET作为输出端开关的方式在逐渐减少。带有自诊断功能的高边固态开关由于集成了过压、过流、过温、短路等保护功能，适用于控制阻性负载、容性负载和感性负载。高边固态开关的状态端与单片机连接后，控制负载出现诸如短路、过流、过压、负载开路等故障时，高边固态开关启动相应的保护，并且将输出开关状态反馈给单片机，单片机可根据反馈信号对系统进行分析，避免上述故障对系统造成损害。在较为复杂的控制系统中，利用高边固态开关的诊断功能可以协助工程人员快速查找故障点，提高工作效率，节约成本。

3 结束语

高边智能固态开关器件由于集成多种保护功能，加之其采用先进的集成电路制造工艺和封装技术，使得其封装体积更小，输出功率更高，功耗更低，因此在车载电子控制系统和工业控制系统中得到了广泛的应用。本文对目前在车载电子控制系统中应用的高边智能固态开关的工作原理、发展过程和现状，及应用方向进行了介绍，虽然内容不够完整和系统，但是希望能够起到抛砖引玉的作用，为高边智能固态开关器件在国内的发展尽绵薄之力。