应用高侧智能驱动器安全实现车灯负载调节

　　使用半导体开关实现车灯电子控制可以提供故障检测，延长了产品寿命并且降低了成本。我并不清楚到底是经济实惠的固态开关先引发了汽车车身电子的繁荣发展还是车身电子的发展先使得固态开关的价格下降到更加适应市场需求的水平。看起来固态开关的发展正在逐渐成熟，在其价格逐渐下降的同时其性能却得到了改善。它在繁荣的车身电子模块中发挥的控制功能是转换车灯负载，因为在车辆中有过多的车灯需要进行控制。

　　 对车灯负载进行电子控制有着明显的优点。固态车灯控制要求汽车制造商不仅提供“剧场调光（theater dimming）”，还要提供智能保护。智能驱动器提供断路和短路的负载保护与检测，还要延长车灯寿命。

　　 断路负载检测使得车身模块能够通知控制器减少明显的车灯能量损耗，比如尾灯、转向灯或刹车灯的损耗。短路负载保护与检测能避免保险丝熔断时造成的间歇性断路。通过限制能量向在更高的电池组下工作的车灯上转移来延长车灯的寿命。在汽车需要进行维修之前一特点使得车灯可以正常工作更长的时间。

　　 正如其他许多拥有优势的工程一样。其中都存在一些不确定因素。目前，用于典型高侧开关的标准半导体垂直进程在处理延伸短路负载情况中遇到了一些麻烦。尽管有一定的方法作用于短路负载，可以延长设备的寿命。但是即使没有采取这些方法，某些设备在短路情况下仍然可以维持足够时间。同时，换模块并不像换保险丝那样节约成本。

　　 一、过程

　　 使保护半导体开关成为可能并进行实施的技术是原来制造MOSFET的垂直进程的改良版。该进程的本质就是MOSFET，原来是被放置在p-well隔离区的一些基本控制电路中。这种方法会导致进程造价相当昂贵，因为当为保护和控制做准备的时候，损失了有关导通阻抗的区域效率。在典型的固态开关中，这种损耗主要来自于旁路元件。在这些区域中简单的控制功能成为牺牲品，但由于提供了附加值这些牺牲还是值得的。

　　 这种类型设备的典型控制电路包括一个电荷泵、一个感应电流电路、一个限流电路、一些输入缓冲器和和其他一些具有保护或检测功能的器件。其功能性仅限于保持复杂性和使成本下降。

　　 二、短路负载会有什么问题

　　 基本上在负载短路的情况下，这种类型的设备中的保护电路会限制电流，所以旁路元件仍然在安全运行区域直到过热保护电路关闭驱动器。一旦关闭，设备就会将温度降低到发生关闭之前，并且返回到原状态。这样，设备就会在限流—过热—关闭和关闭—降温之间来回反复，直至输入元件损坏，如下图所示：　　

　　 根据负载如何短路，保护电路类型所产生的一点能量可以加强表面的电源设备。能量来源于由通过限位开关的电压降落所增加的电流限制。这种类型的设备的电流限制相当高，这是为了满足气泡浪涌（bulb inrush）的需求，也是为了适应进程中限流容许约束。比如说，一种16欧的贴片式高侧驱动器在某些汽车环境中只能处理大约10A的直流。由于浪涌的需要和工艺容许，电流最高可限制为64A。

　　 由于短路，通过旁路元件的是这个等级的限制电流和满电压，所以功率损耗异常。这个等级的功率损耗（12V×64A=768W）通过芯片时会造成尖峰热梯度。此时的应力是热机械特性的，可作为Coffin-Manson热疲劳模型：　　

　　 上式中：Nf表示循环失败的次数；

　　 f表示循环频率；

　　 T表示循环中温度所变化范围；

　　 G（TMAX）表示循环过程中温度达到最大值时的Arrhenius关系评估；

　　 Α和β的典型值是2和1/3。

　　 Coffin-Manson模型说明，一旦当设备冷却后不能回到初始状态时，它将记忆超过指定等级的热应力。

　　 如下图所示，我们可以通过给定应力类型来形象地说明这种情况。　　

热疲劳模型曲线说明浪涌温度的升高与循环次数的关系

　　 如下图所示，热机械应力看起来更加象层断裂。最终的结果是随着RDS(on)的增长，造成电源（或输出）连接线和芯片表面之间的贴片损耗。有时这种破坏是设备将无法继续保持通路（始终是开路）。　　

双高侧驱动器的右侧已经显露出由于极端热应力引发的连接线区域变色的显微照片

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