使用新型预驱动器和 MOSFET 的汽车功率负载控制

今天的汽车配备了种类繁多的电子配件和电子安全辅助装置，使车辆更具吸引力、更安全和更易于使用。此外，传统的液压系统(如动力转向和自动变速箱)正在被电动等效系统取代，以帮助减轻整体重量并提高燃油经济性。

随着电气化趋势的继续，传统的机电继电器仍然广泛用于负载切换。继电器有助于将车辆乘员与大功率电路安全隔离，并最大限度地减少对昂贵、笨重的大电流接线的需求。控制逻辑相对简单，而外形尺寸和引脚分配已写入 ISO 标准，有助于简化系统设计以及供应链和库存管理。

取代传统接力

但是也有一些缺点。尽管标准继电器尺寸和端子图案现在包括 Mini 280 和 Micro 280 等小型化格式，但 Mini 尺寸具有 1 英寸立方体主体，而 Micro 尺寸为 1" x 1" x 1/2"。在设计人员承受着在更小的 ECU 中构建额外电路的巨大压力的时代，需要更紧凑的负载切换解决方案。继电器的可靠性也相对较弱：虽然机械寿命可以显着超过 100 万次操作，但电气寿命通常只有 100,000 次左右，具体取决于负载和操作条件。

传统继电器也会产生明显的电磁开关噪声。当继电器控制电路的线圈中的磁场在关断时崩溃时，会出现电压尖峰。内置电阻器或钳位二极管可以防止损坏附近的电路，但可能需要额外的抑制或屏蔽来防止电磁干扰。

最后，需要改进整个汽车电气基础设施的诊断，以实现增强的信息和安全系统，并协助服务和维修。如果没有附加电路，传统继电器无法支持自诊断功能和负载保护。

设计人员正在转向符合汽车标准的功率 MOSFET，以实现在减小尺寸和重量、提高可靠性、更好的电磁兼容性 (EMC) 以及增强智能和诊断方面的未来目标。具有合适电流和电压额定值的 MOSFET 的导通电阻仅为几毫欧，这有助于简化热管理。

建议使用预驱动器控制 MOSFET 栅极，因为 MOSFET 的自我保护相对较弱，并且可能会因过压或过流尖峰而永久损坏。ON Semiconductor NCV7518 六通道预驱动器提供合适的保护，还集成了故障检测和诊断电路。设计人员可以通过选择外部 MOSFET 来自由扩展其应用。

图 1 显示了包含 NCV7518 的示例应用电路，该电路带有六个 MOSFET，用于控制各种负载，包括灯、加热器和简单的电机。预驱动器采用 5mm x 5mm x 0.9mm QFN32 封装。合适的 MOSFET 类型是 NID9N05CL，它是一款 9.0A 52V 器件，具有逻辑电平开关和集成钳位二极管和 ESD 保护。需要少量电阻器和电容器，与使用继电器构建的类似系统相比，其尺寸和高度要小得多。此外，消除了继电器噪声。通过充分的散热，可以管理 MOSFET 的结温，以确保至少在车辆的预期寿命内具有可靠性。

MOSFET 的控制和负载故障信息的收集是借助预驱动器的 GATx 和 DRNx 引脚实现的，然后通过 SPI 通信端口和故障标志 (FLTB) 输出反馈给微控制器。预驱动器能够检测每个负载的电池短路和接地短路故障。该设备还监控电池电源的异常水平，以防止负载在限制水平下运行。还有其他功能，例如自动重试和快速充电，可以通过 SPI 通信启用，以定制外部负载需求。这些是预驱动器解决方案可以提供的一些使用传统继电器无法实现的诊断功能和保护功能的示例。

为了最大限度地发挥这种前置驱动器和 MOSFET 组合的优势，设计人员必须注意多个方面，例如故障保护和诊断参数的配置，根据实际负载情况选择合适的 MOSFET，以及计算散热量。由 MOSFET 以确保足够的热管理。

故障检测和捕捉

NCV7518的每个通道都有独立的故障诊断，能够在通道开启时检测负载短路故障，在通道关闭时检测对地短路或负载开路故障。这使得驱动器可以与不同类型的负载一起使用，例如电感或电阻负载，并满足与汽车电子环境测试相关的各种国家标准。

每种故障类型都被唯一地编码为每通道三位故障数据。这种三位编码允许对故障进行优先级排序，以便在下一次 SPI 读取时可获得最严重的故障数据。因此，负载短路故障数据具有最高优先级，其次是接地短路和负载开路故障数据。每个通道的 DRNx 反馈输入将通道外部 MOSFET 的漏极电压与多个内部参考电压进行比较。短路负载检测阈值通过 SPI 编程，并使用单独的检测基准来区分三种故障类型。消隐定时器和滤波器定时器分别用于允许输出状态转换稳定和抑制毛刺。

在开启消隐或滤波器超时后，当通道的 DRNx 反馈大于其选定的故障参考值时，检测到负载短路故障。自动重试模式使预驱动器能够在负载短路故障后自动恢复。在此模式下，受影响通道的 GATx 输出在编程的故障刷新时间内关闭。刷新时间结束后输出重新打开，并在开启消隐时间后再次采样 DRNx。如果故障仍然存在，通道将自动关闭。对于浪涌电流条件和间歇性故障，此功能是理想的。

MOSFET 选择

就 MOSFET 的选择而言，所选器件的最大漏源电压 (VDSS) 必须高于电感负载产生的最大允许反激电压，因为 MOSFET 配置在低端司机。对于感性负载，外部钳位二极管用于保护 MOSFET。对于 12V 系统，反激电压可以钳位到最大 36V，因此超过 40V 的 VDSS 是可以接受的。请注意，当使用的反激式钳位具有 40V 至 50V 的击穿范围时，60V 的 VDSS 会更合适。

负载功率是影响 MOSFET 选择的下一个最重要的因素。原则上，较高的负载电流需要较低导通电阻的 MOSFET。

减轻重量，提高可靠性

半导体开关和智能预驱动器有助于减轻重量、减小尺寸并提高传统上使用机电继电器控制的汽车系统的可靠性。正确的设备选择和预驱动诊断配置将加速向更多更好的汽车电子系统发展的趋势。