【導(dǎo)讀】如今,出行生態(tài)系統(tǒng)不斷地給汽車設(shè)計帶來新的挑戰(zhàn),特別是在電子解決方案的尺寸、安全性和可靠性方面提出新的要求。此外,隨著汽車電控制單元 (ECU) 增加互聯(lián)和云計算功能,必須開發(fā)新的解決方案來應(yīng)對這些技術(shù)挑戰(zhàn)。
高端車輛使用多達(dá)數(shù)百個ECU,這要求電源管理必須更高效,汽車電池和負(fù)載點(diǎn)之間的電源路徑更安全,以減少電子器件失效情況發(fā)生。用電子保險(eFuse)代替?zhèn)鹘y(tǒng)保險絲,可以提高電氣安全性。傳統(tǒng)保險絲在導(dǎo)體過載時就會過熱熔化,而電子保險則是控制輸出電壓,限制輸出電流,為負(fù)載提供正確的電壓和電流;在失效持續(xù)出現(xiàn)時,最終斷開負(fù)載連接。大電流用電環(huán)境在處理高能放電方面提出了嚴(yán)格的要求,因此,需要魯棒性和可靠性俱佳的功率開關(guān)管。
大電流功率開關(guān)管
大電流功率開關(guān)管是一個串聯(lián)到主電源軌并由邏輯電路控制的低電阻MOSFET晶體管,集成了各種保護(hù)、診斷和檢測功能。在大功率汽車電源系統(tǒng)中,通過背靠背連接的 MOSFET開關(guān)管,可以保證保險盒對電流雙向控制,為電源路徑提供強(qiáng)大的保護(hù)(圖 1)。
▲圖 1. 雙向大電流功率開關(guān)保護(hù)配置
電阻器 (RLIM)實(shí)時檢測電源軌電流,eFuse電子保險調(diào)整 MOSFET的柵源電壓(VGS),將電流限制在目標(biāo)值,保持電流恒定。如果發(fā)生強(qiáng)過流或短路,控制器就會斷開負(fù)載,保護(hù)電源。
在負(fù)載開通時,eFuse按照預(yù)設(shè)值提高輸出電壓,確保涌流保持在安全范圍內(nèi),從而保護(hù)負(fù)載和電源。這種情況對功率 MOSFET提出了嚴(yán)格的要求,它們必須經(jīng)受住ECU 輸入端的大容量電容器陣列的軟充電階段線性模式的恒定電流。
當(dāng)負(fù)載斷開時,與連接主電池和終端應(yīng)用負(fù)載的線束相關(guān)的寄生雜散電感釋放能量,功率 MOSFET處于電壓應(yīng)力狀態(tài)。
總之,功率 MOSFET 必須滿足以下要求(表 1):
▲表1.對功率MOSFET的要求
意法半導(dǎo)體新推出的STPOWER STripFET F8 MOSFET技術(shù)完全符合 AEC Q101 標(biāo)準(zhǔn),體現(xiàn)了所有的設(shè)計重大改進(jìn)之處,確保開關(guān)管具有高能效和高魯棒性,從而實(shí)現(xiàn)安全可靠的開關(guān)性能。
STL325N4LF8AG 是一款 40V MOSFET,采用 PowerFLAT 5x6 無引線封裝,靜態(tài)導(dǎo)通電阻(RDS(on))不足一毫歐,小于0.75m?,因此,導(dǎo)通損耗非常低。
MOSFET選型關(guān)鍵參數(shù)
對于12V 鉛酸電池供電的傳統(tǒng)汽車負(fù)載,功率開關(guān)必須承受 ECU要求的高達(dá) 160 A 至 200 A 的連續(xù)電流,以實(shí)現(xiàn) 1kW 范圍內(nèi)的功率輸出。
1. 開通狀態(tài)
除了大電流之外,功率 MOSFET 還必須耐受 ECU 輸入端的大容量電容器陣列的預(yù)充電階段軟點(diǎn)火所需的恒定電流,使ECU 輸入引腳上的電壓上升平滑,從而避免任何高壓振蕩和電流尖峰。
可以用圖 2 所示的基準(zhǔn)電路圖測試開關(guān)管在軟充電階段的魯棒性。
▲圖 2. 軟充電魯棒性驗(yàn)證基準(zhǔn)電路
該電路可以用恒定電流對負(fù)載電容 (CLOAD)充電:通過調(diào)節(jié) V1和 VDD電壓值,可以使電流保持恒定,從而為 CLOAD設(shè)置特定的充電時間。 測試電容是94mF堆棧電容 ,負(fù)載和電源電壓為 15V。
對于 STL325N4LF8AG,考慮了兩種不同的測量設(shè)置情況:
? 案例1:一個開關(guān)管,電流為1.7A,持續(xù)700ms;
? 案例 2:兩個并聯(lián)的開關(guān)管,每個開關(guān)的電流為 29A,持續(xù) 6ms。
圖 3 是案例1的線性模式操作的測量波形,圖4是案例2的線性模式操作的測量波形。
▲圖 3. 軟充電期間的基準(zhǔn)測試測量(案例 1)
▲圖 4. 軟充電期間的基準(zhǔn)測試測量(案例2)
在案例 1 中,使用接近直流操作的長脈沖時間測試功率開關(guān)的線性模式魯棒性。
在案例2 中,并聯(lián)的兩個功率開關(guān)管的柵極閾壓(Vth)值如下:
? Vth1 = 1.49V @ 250μA
? Vth2 = 1.53V @ 250μA.
Vth的閾值范圍被限定在一定范圍內(nèi)( 3%),使兩個 MOSFET的電流差很?。?/p>
? ID1 = 29A
? ID2 = 28.5A
其中,Vth1的值較低,所以 ID1略高于 ID2。
在這種情況下 (案例2),用大電流測試功率開關(guān)的線性模式魯棒性,脈沖時間持續(xù)幾毫秒。
在這兩種情況下,功率 MOSFET 都能夠承受線性模式工作條件,均在理論安全工作區(qū) (SOA) 范圍內(nèi),防止器件出現(xiàn)任何熱失控。
2. 關(guān)斷狀態(tài)
在關(guān)斷時,功率 MOSFET必須承受巨大的能量放電應(yīng)力。事實(shí)上,在連接主電池和終端應(yīng)用控制板的線束上,寄生雜散電感會產(chǎn)生高阻抗,造成配電系統(tǒng)出現(xiàn)一次能量巨大的放電事件。
在ECU電控單元情況中,這種能量釋放可以視為 MOSFET 關(guān)斷時的單次雪崩事件來處理,或用有源鉗位電路強(qiáng)制MOSFET回到線性工作模式。TL325N4LF8AG可以在40A的雪崩擊穿測試中保持正常工作,如圖5所示:
▲圖 5. STL325N4LF8AG在關(guān)斷時單次雪崩事件的測量波形
該器件在關(guān)斷狀態(tài)時具有強(qiáng)大的能量處理性能。
符合ISO 7637-2標(biāo)準(zhǔn)
對于 12V/24V 汽車電源系統(tǒng),eFuse電子保險開關(guān)管必須滿足ISO 7637-2 國際標(biāo)準(zhǔn)的主要規(guī)定,能夠耐受電源軌上產(chǎn)生的劇烈的高低電能瞬變事件,在某些情況下伴隨很高的dv/dt電壓上升速率。
1. ISO 7637-2 Pulse 1標(biāo)準(zhǔn)
Pulse 1 標(biāo)準(zhǔn)描述了當(dāng)電源連接斷開時,在與感性負(fù)載并聯(lián)的電子器件上觀察到的負(fù)電壓瞬變,如圖 6 所示。
▲圖 6. ISO 7637-2 Pulse 1 測試的電壓瞬變波形和參數(shù)
圖 7 所示的測試結(jié)果證明,STL325N4LF8AG 符合 ISO 7637-2 Pulse 1標(biāo)準(zhǔn)要求:
▲圖 7. STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 1測試的測量波形(右圖是放大圖)
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明,STL325N4LF8AG 通過了 ISO 7637-2 脈沖 1 測試,沒有發(fā)生任何失效或主要額定參數(shù)降低現(xiàn)象。
2. ISO 7637-2 Pulse 2°標(biāo)準(zhǔn)
Pulse 2a標(biāo)準(zhǔn)描述了當(dāng)與被測電子器件并聯(lián)的電路電流中斷時可能出現(xiàn)的正電壓尖峰,如圖 8 所示:
▲圖 8. STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 2a測試的電壓瞬變波形和參數(shù)
圖 9 所示的測試結(jié)果證明,STL325N4LF8AG 符合 ISO 7637-2 Pulse 2a標(biāo)準(zhǔn)要求:
▲圖 9. STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 2a測試的測量波形(右圖是放大圖)
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明,STL325N4LF8AG 通過了 ISO 7637-2 脈沖2a測試,沒有發(fā)生任何失效或主要額定參數(shù)降低現(xiàn)象。
3. ISO 7637-2 Pulses 3a 和 3b標(biāo)準(zhǔn)
Pulses 3a 和 3b定義了受線束分布電容和電感的影響,在開關(guān)過程可能出現(xiàn)的負(fù)電壓尖峰,如圖 11 和圖12 所示:
▲圖 10. ISO 7637-2 pulse 3a 測試的電壓瞬變
▲圖 11. ISO 7637-2 pulse 3b測試的電壓瞬變
表2列出了各項參數(shù)的測量值:
▲表 2. ISO 7637-2 pulses 3a和 3b測試的電壓瞬態(tài)參數(shù)
圖 12 和 13是STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 3a 和 pulse 3b測試相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):
▲圖 12. STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 pulse 3a測試測量波形(右圖是放大圖)
▲圖 13. STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 pulse 3b測試的測量波形(右圖是放大圖)
STL325N4LF8AG的pulse 3a和3b測試結(jié)果令人滿意。
4. ISO 7637-2 脈沖 5a 和 5b(負(fù)載突降)
Pulses 5a 和5b是對負(fù)載突降瞬變電壓的模擬測試。負(fù)載突降是指在交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生充電電流的期間,放電電池斷開連接,同時其他負(fù)載仍連接交流發(fā)電機(jī)的情況,如圖 14 和15 所示:
▲圖 14. ISO 7637-2 pulse 5a測試的電壓瞬變
▲圖 15. ISO 7637-2 pulse 5b測試的電壓瞬變
表3列出了12V 系統(tǒng)的測試參數(shù)值:
▲表 3. ISO 7637-2 pulses 5a 和 5b 測試的電壓瞬態(tài)參數(shù)
圖 17和圖18所示是STL325N4LF8AG 的 ISO 7637-2 pulse 5a 和pulse 5b 測試的測量波形:
▲圖 16. STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 5a測試的測量波形
▲圖 17. STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 5 b測試的測量波形
因此,STL325N4LF8AG 也可以為系統(tǒng)提供負(fù)載突降保護(hù)。
結(jié)論
STL325N4LF8AG采用意法半導(dǎo)體新開發(fā)的STripFET F8制造技術(shù),為應(yīng)對eFuse電子保險應(yīng)用的所有相關(guān)電壓應(yīng)力狀況而專門設(shè)計,在電源關(guān)閉和開通狀態(tài),能夠承受相關(guān)的電壓應(yīng)力。此外,該MOSFET還通過了國際標(biāo)準(zhǔn) ISO 7637-2規(guī)定的12V/24V汽車電池系統(tǒng)導(dǎo)通瞬變測試。同級一流的性能使 STL325N4LF8AG 成為在惡劣的汽車應(yīng)用中設(shè)計更安全的配電系統(tǒng)的理想選擇。
References參考文獻(xiàn)
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來源:意法半導(dǎo)體
作者:Giusy Gambino
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