作者： Bill Schweber

“簡單易行”是眾所周知的設(shè)計準(zhǔn)則和良好的工程實踐。畢竟，添加的組件越多，出錯或出現(xiàn)意外的可能性就越大。此外，還會對材料清單 (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)計一款堅固耐用、“刀槍不入”的產(chǎn)品，能夠同時在正常和極端環(huán)境下工作，承受可預(yù)見和不可避免的壓力時，更是如此。為了提高完整性，你可能還希望減少對系統(tǒng)微控制器單元 (MCU) 處理破壞性事件的依賴，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。

我們來考慮一下基于 MOSFET 的電源開關(guān)，這種器件已廣泛用于汽車和其他應(yīng)用中，取代了傳統(tǒng)的機電式繼電器。數(shù)十種這類固態(tài)開關(guān)為發(fā)動機、變速箱、照明、制動、布線和懸掛控制機構(gòu)的電源軌提供簡單的開/關(guān)控制。這類半導(dǎo)體開關(guān)的使用壽命超過一百萬次，而且與機電繼電器不同，在惡劣的汽車環(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”式開關(guān)非常簡單。但是，這些基于 MOSFET 的開關(guān)在啟動或正常運行期間切換高能量電路時，可能會因短路和瞬態(tài)而發(fā)生故障。因此，必須在開關(guān)周圍安裝各種具有保護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://m.1cnz.cn/v/" target="_blank">智能功率器件 (IPD) 開關(guān)（圖 1）。

圖 1：簡單的 MOSFET 可用作電源開關(guān)（左圖），但缺乏能量吸收元件（右圖）來保護其免受現(xiàn)實際中不可避免的瞬態(tài)和短路的影響。（圖片來源：ROHM Semiconductor，作者修改過）

不止于此

除了在電源開關(guān)周圍使用合適的元件外，還有更多的保護措施。幾乎所有載流軌都需要保護，以防止過大電流損壞電源開關(guān)或其負載電路。這些過流事件通常由負載內(nèi)部故障造成。

你可能會認為過流保護的解決方案很簡單，而且眾所周知：只需在電源軌上安裝一個基本的熱熔式保險絲即可。如果出現(xiàn)過流，保險絲熔斷，從而完全切斷破壞性電流的流動。

保險絲解決方案固然有效，但在某些方面，就顯得矯枉過正。一旦保險絲熔斷，系統(tǒng) MCU 既無法了解負載模塊的情況，也無法對其進行管理。

因此，許多關(guān)鍵電路還采用了電流監(jiān)控功能。這樣，MCU 就能讀取過流檢測 IC 檢測到的錯誤信號，并根據(jù)情況的細微差別向 IPD 開關(guān)發(fā)送信號，啟動關(guān)機或重復(fù)關(guān)機/重啟操作。

然而，這可能會導(dǎo)致電路運行不穩(wěn)定或其他故障。相比之下，[ROHM Semiconductor] 的 [AECQ-100 系列]中先進的 IPD 開關(guān)可提供保護，而無需介入 MCU。這些獲得了汽車認證 (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 MSOP 封裝。相比之下，單通道 [BV1LB025EFJ-CE2]是低壓側(cè)開關(guān)，RDS(ON) 為 45 mΩ ，限流值為 13 A，采用 HSSOP-C16 封裝。

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

此外，這些先進的 IPD 開關(guān)還能防止電路停電。如果由于老化而導(dǎo)致機械負載增加，造成電流消耗水平上升時，就會發(fā)生停電。由于無需通過 MCU 即可獨立運行，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 開關(guān)時，關(guān)斷是唯一的選擇。但是，ROHM IPD 開關(guān)支持浪涌電流保護以及之后的穩(wěn)態(tài)運行。（圖片來源：rohm semiconductor）

保險絲還有另一個考慮因素。具有明確工作裕度的標(biāo)準(zhǔn)保險絲，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”會干擾所需的極限設(shè)置。

相比之下，ROHM 的 IPD 開關(guān)可以防止浪涌電流，無需遮蔽。（圖 3，底部）

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

因此，即使在穩(wěn)態(tài)運行期間出現(xiàn)微小的電流異常，也能進行高精度檢測。同時，由于仍可向負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 仍可嘗試訪問該模塊進行預(yù)防性維護，同時檢測運行期間的異常情況。

縱觀全局

使用輔以各種保護元件和功能的功率器件是實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環(huán)境中。在過流情況下，還需要更多的保護和靈活性。

結(jié)束語

簡單易行是一個值得追求的設(shè)計目標(biāo)，但現(xiàn)實中各種考慮因素及其微妙之處往往意味著，在實際應(yīng)用中，增加一點復(fù)雜性是一種謹慎和更好的方法。通過使用 ROHM AECQ-100 系列的 IPD 開關(guān)，可以用較少的元件實現(xiàn)固態(tài)電源設(shè)備的可靠性、靈活性和優(yōu)勢，同時獲得保險絲無法提供的識別和保護功能。

審核編輯 黃宇