【導(dǎo)讀】現(xiàn)在的主流應(yīng)用是采用板內(nèi)繼電器來控制功率負載,隨著技術(shù)的不斷推進,板內(nèi)繼電器帶來的問題迫切需要解決,負載的故障狀態(tài)也需要診斷,因此新型的預(yù)驅(qū)動器和MOSFET控制功率負載的解決方案越來越多的得到關(guān)注。
隨著汽車電子設(shè)備的不斷增多,如自動變速箱,電動后視鏡折疊、中控自動門鎖等高級功能的普及,我們電控模塊的驅(qū)動方式也發(fā)生了改變,從傳統(tǒng)的板內(nèi)繼電器的驅(qū)動方案到現(xiàn)在越來越多的半導(dǎo)體驅(qū)動芯片(預(yù)驅(qū)動器、MOSFET)的解決方案。
現(xiàn)在的主流應(yīng)用是采用板內(nèi)繼電器來控制功率負載。雖然繼電器的成本比較低,控制也相對簡單,但是其大體積、短壽命和會產(chǎn)生噪聲的缺點也非常明顯,具體請參考表1。
表1:板內(nèi)繼電器驅(qū)動方案優(yōu)缺點比較
隨著技術(shù)的不斷推進,板內(nèi)繼電器帶來的問題迫切需要解決,負載的故障狀態(tài)也需要診斷,因此新型的預(yù)驅(qū)動器和MOSFET控制功率負載的解決方案越來越多的得到關(guān)注,現(xiàn)如今安森美半導(dǎo)體MOSFET的Rds(on)可以做到幾毫歐姆,這就意味著我們可以用MOSFET來驅(qū)動幾十甚至上百安培的電流,其耐壓也可以做到60?100V特,可以滿足我們汽車電子的要求,所以考慮用MOSFET取代繼電器,而MOSFET自我保護功能較差,汽車電子應(yīng)用中往往會存在一些過流,過壓的惡劣工況會擊穿和損壞MOSFET, 所以在應(yīng)用的時候必須選用預(yù)驅(qū)動器來加以保護。
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首先我們來了解一下預(yù)驅(qū)動器的工作方式(見圖1)。其采用MOSFET作為負載的開關(guān),通過預(yù)驅(qū)動器的G管腳和D管腳實現(xiàn)對MO S F E T的控制和負載故障信息的采集,并且通過S P I通信和F L T B管腳反饋到微控制器。通過這種解決方案我們可以既解決了繼電器所無法實現(xiàn)的診斷功能,又有效的控制驅(qū)動電路模塊占用PCB板的空間,壽命也有了很大的提升,同時也消除了由繼電器帶來的噪聲。當(dāng)然在應(yīng)用的時候也需要有一些注意事項。
1)故障保護和診斷參數(shù)的配置
2)根據(jù)實際負載情況,選擇合適的MOSFET
3)MOSFET散熱的計算
負載故障大致可以可分為過壓、過熱、開路、對地短路、負載短路等。其中,預(yù)驅(qū)動器可以對開路,對地短路,負載短路的故障進行保護和診斷,可以適用于不同種類的負載(感性負載、電阻類負載、電機負載等),并且以滿足汽車電子環(huán)境測試的國家標(biāo)準(zhǔn)。
那么如何來選擇一顆合適的MOSFET作為負載的開關(guān)呢,要結(jié)合MOSFET的參數(shù),負載的參數(shù)和總體方案的成本來考慮。
首先,MOSFET是通過負載直接與汽車電池相接,那么汽車電池的電壓直接作用于MOSFET,所以VDSS一定要高于汽車電池的電壓,對于12V汽車系統(tǒng)來說,考慮到汽車上拋負載的測試條件,40V以上的VDSS比較合適,而對于24V汽車系統(tǒng)來說,60V的VDSS比較合適,一般來說VDSS越高,成本也會越高。
其次, 負載的功率是選擇MOSFET的一個必要條件,通過負載的電流越大,MOSFET的導(dǎo)通電阻就要越低。同樣的一般來說導(dǎo)通電阻越小,成本也會越高。
以一顆MOSFET NID9N05CL為例,通過規(guī)格書,我們可以得到如下參數(shù)。
另外,預(yù)驅(qū)動器在診斷過流故障的時候,往往會有自動檢測功能,也就是說,如果負載短路發(fā)生,預(yù)驅(qū)動器會每隔一段時間打開MOSFET對電流進行檢測。
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如果負載短路發(fā)生,預(yù)驅(qū)動器會每隔10m s或者40m s(根據(jù)不同配置)打開MOSFET 45μs,那么在這45μs內(nèi),MOSFET就會處于短路狀態(tài),那么我們就要計算在這期間產(chǎn)生的過熱是否會把MOSFET燒壞。
占空比D=45/10000=0.045;
根據(jù)圖2 所示, 選擇SINGLE PULSE的曲線來計算。
總結(jié)
隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進步,半導(dǎo)體驅(qū)動器將在汽車電子模塊應(yīng)用中占主要地位,那么預(yù)驅(qū)動器和MOSFET的解決方案也將成為設(shè)計師所更關(guān)注的一種驅(qū)動方式,正確地運用預(yù)驅(qū)動器和MOSFET可以使我們汽車電子的產(chǎn)品不斷進步。
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