【導(dǎo)讀】汽車市場正在轉(zhuǎn)向區(qū)域控制器架構(gòu)的趨勢方向,而汽車區(qū)域控制器架構(gòu)正朝著分布式、集成化、智能化的方向發(fā)展,以實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)處理、功能整合與自動(dòng)駕駛支持?;趨^(qū)域控制器架構(gòu)帶來很多設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn),例如SmartFET正越來越多替代傳統(tǒng)的MOSFET器件。
汽車市場正在轉(zhuǎn)向區(qū)域控制器架構(gòu)的趨勢方向,而汽車區(qū)域控制器架構(gòu)正朝著分布式、集成化、智能化的方向發(fā)展,以實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)處理、功能整合與自動(dòng)駕駛支持。基于區(qū)域控制器架構(gòu)帶來很多設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn),例如SmartFET正越來越多替代傳統(tǒng)的MOSFET器件。
SmartFET是一種集成了智能控制和保護(hù)功能的功率MOSFET器件,今天已經(jīng)在電動(dòng)汽車上得到廣泛應(yīng)用。在傳統(tǒng)功率開關(guān)元件的基礎(chǔ)上,SmartFET增加了諸如過流、過熱、過壓保護(hù)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測和診斷等功能。通過集成電流檢測、溫度補(bǔ)償以及自適應(yīng)開關(guān)控制技術(shù),SmartFET能夠根據(jù)實(shí)際工作條件自動(dòng)調(diào)整其行為,防止出現(xiàn)潛在故障,并且簡化了電路設(shè)計(jì),減少了外部組件需求。
例如,在汽車電子領(lǐng)域,安森美(onsemi)提供的高邊SmartFET不僅能夠高效地切換負(fù)載,如LED照明、啟動(dòng)器、車門模塊、暖通空調(diào)和其他執(zhí)行器,還具有主動(dòng)浪涌電流管理、過溫關(guān)斷與自動(dòng)重啟以及主動(dòng)過壓鉗位等特性,從而極大地提升了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命。
從高邊驅(qū)動(dòng)到低邊驅(qū)動(dòng),SmartFET的多效“收益”
通常在使用MOSFET的時(shí)候,首先要有合適的驅(qū)動(dòng),例如一個(gè)合適的門極電阻。同時(shí)為了防止場效應(yīng)管的損壞,我們還要有各種保護(hù)措施,例如過流過溫和過壓的保護(hù)電路,來保證其長期可靠運(yùn)行不致?lián)p壞。通常這些保護(hù)電路都是由分立器件達(dá)成,既增加系統(tǒng)成本,同時(shí)也占據(jù)了較大的PCB空間。
而SmartFET產(chǎn)品把這些驅(qū)動(dòng)和監(jiān)測保護(hù)電路都集成到標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的封裝里面,因此一個(gè)SmartFET有兩個(gè)主要部件組成:首先它有一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的功率級負(fù)責(zé)向負(fù)載提供電流;第二個(gè)就是控制級,這里面主要是指MOSFET的驅(qū)動(dòng)和監(jiān)測保護(hù)電路,有了這個(gè)控制級就能夠正確的開關(guān)MOSFET,同時(shí)能夠防止其損壞。這樣既可以增加MOSFET使用的可靠性,同時(shí)也能節(jié)省系統(tǒng)成本,以及減少PCB占用的空間。這些優(yōu)點(diǎn)使得SmartFET在汽車電子里面得到了廣泛的使用。
高低邊驅(qū)動(dòng)是用于控制電路中負(fù)載通斷的兩種基本方法,它們在電源管理、電機(jī)控制和汽車電子等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。具體來說:
低邊驅(qū)動(dòng)(Low Side Driver, LSD):在一個(gè)直流電源供電的電路中,低邊驅(qū)動(dòng)是指通過控制連接到負(fù)載地線(或接地端)的開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)對負(fù)載電流的接通和關(guān)斷。當(dāng)這個(gè)“開關(guān)”(通常是MOSFET或晶體管)導(dǎo)通時(shí),負(fù)載可以形成回路并從電源汲取電流;當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí),負(fù)載與地之間的路徑被切斷,從而停止電流流動(dòng)。
高邊驅(qū)動(dòng)(High Side Driver, HSD):高邊驅(qū)動(dòng)則是指通過控制連接到負(fù)載電源正極一側(cè)的開關(guān)元件來控制負(fù)載電流。高邊驅(qū)動(dòng)相對復(fù)雜一些,因?yàn)樗枰幚淼膯栴}包括確保柵極驅(qū)動(dòng)電壓高于電源電壓以保證MOSFET有效開啟,并且必須考慮電荷泵或者自舉電路來提供足夠的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)高邊開關(guān)導(dǎo)通時(shí),負(fù)載與電源之間形成通路開始工作;而開關(guān)關(guān)斷時(shí),負(fù)載失去上端電源供應(yīng),電流不再流過負(fù)載。
總結(jié)起來,在一個(gè)電源和負(fù)載之間,如果通過控制下側(cè)(靠近地線)的開關(guān)來控制負(fù)載,就是低邊驅(qū)動(dòng);如果通過控制上側(cè)(靠近電源正極)的開關(guān)來控制負(fù)載,則是高邊驅(qū)動(dòng)。這兩種方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場景,設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)系統(tǒng)需求、效率、安全性等因素選擇合適的方式。
高邊SmartFET的三大類典型應(yīng)用
由于集成了各種檢測和保護(hù)電路,高邊SmartFET事實(shí)上能夠處理各種各樣的負(fù)載。常見的我們可以分為三大類應(yīng)用。
區(qū)域控制器架構(gòu)趨勢下的SmartFET應(yīng)用
當(dāng)前汽車市場的一個(gè)重要趨勢是汽車電子電氣架構(gòu)已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向區(qū)域控制器架構(gòu)。區(qū)域控制器架構(gòu)用來替代已經(jīng)廣泛使用的域控制器架構(gòu)。所謂區(qū)域控制器架構(gòu),就是電子控制單元是按照特定區(qū)域的物理位置,而不是按照功能來組織和劃分的。例如左車身、右車身和前車身等等,就近相應(yīng)所需要的功能按照物理位置把它組織起來,組成一個(gè)區(qū)域控制器。這些區(qū)域控制器是通過高速的以太網(wǎng)來連接起來。這些以太網(wǎng)不僅傳遞和處理數(shù)據(jù),同時(shí)也傳遞和分配電源,從而大大減少線束的復(fù)雜度和重量(值得一提的是,目前線束是電動(dòng)汽車上第三重和第三貴的部件)。
可以簡單的歸結(jié)為在區(qū)域控制器架構(gòu)正在以網(wǎng)絡(luò)取代線束,即以前域控制器里面的線束現(xiàn)在變成了網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)不僅是數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),同時(shí)也是電源網(wǎng)絡(luò)。區(qū)域控制器架構(gòu)由于它是由以太網(wǎng)組成的一個(gè)環(huán)形網(wǎng),因此它很容易擴(kuò)展,可以根據(jù)低、中、高不同檔位的配置來加減相應(yīng)的區(qū)域控制。這樣的話,就很容易實(shí)現(xiàn)快速的產(chǎn)品市場投放。
基于區(qū)域控制器架構(gòu)不僅數(shù)據(jù)是通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞和處理,同時(shí)電源也是通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行按級分配。因此其中SmartFET會(huì)有很大的用處:用作整個(gè)區(qū)域控制器的efuse保險(xiǎn)絲來保護(hù)電路,不至于因?yàn)槔擞侩娏骰蚋邏涸斐蓳p壞;同時(shí)它也可以控制整個(gè)區(qū)域控制器架構(gòu)的電源的通斷;還可以通過SmartFET來決定什么時(shí)候把負(fù)載接到電源上面,什么時(shí)候把負(fù)載從電源上斷開。
安森美SmartFET的這些特點(diǎn)讓應(yīng)用更容易
SmartFET是一種先進(jìn)的半導(dǎo)體開關(guān)解決方案,旨在為汽車和工業(yè)應(yīng)用提供高效、可靠的電源管理。其結(jié)構(gòu)融合了垂直功率MOSFET和智能控制邏輯,實(shí)現(xiàn)了緊湊的封裝和優(yōu)化的性能。設(shè)計(jì)理念著重于提供高度集成的保護(hù)特性,如過溫保護(hù)、過載保護(hù)和短路保護(hù),以確保系統(tǒng)在各種故障情況下的安全運(yùn)行。SmartFET還具備模擬電流檢測輸出,支持精確的負(fù)載監(jiān)控。
作為SmartFET產(chǎn)品技術(shù)的主要供應(yīng)用,安森美在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中考慮了與控制器的兼容性,使得在不同尺寸和不同RDS(ON)的SmartFET之間切換變得更容易,為應(yīng)用提供更大的靈活性。安森美整個(gè)系列從1毫歐到60毫歐,從1安培到20安培,都具有相同的封裝,以及相同的絲印,也有相同的指令結(jié)構(gòu)和相同的高可靠性。因此,在設(shè)計(jì)制作區(qū)域控制器架構(gòu)PCB板的時(shí)候,具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯院挽`活性,不會(huì)因?yàn)橥獠控?fù)載變化而要重新制作PCB板,這是一個(gè)非常大的優(yōu)勢。
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