汽車區(qū)域控制器架構(gòu)趨勢下的SmartFET應(yīng)用

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，以實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)處理、功能整合與自動駕駛支持。基于區(qū)域控制器架構(gòu)帶來很多設(shè)計的機會與挑戰(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功能的功率MOSFET器件，今天已經(jīng)在電動汽車上得到廣泛應(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、過壓保護以及實時監(jiān)測和診斷等功能。通過集成電流檢測、溫度補償以及自適應(yīng)開關(guān)控制技術(shù)，SmartFET能夠根據(jù)實際工作條件自動調(diào)整其行為，防止出現(xiàn)潛在故障，并且簡化了電路設(shè)計，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、啟動器、車門模塊、暖通空調(diào)和其他執(zhí)行器，還具有主動浪涌電流管理、過溫關(guān)斷與自動重啟以及主動過壓鉗位等特性，從而極大地提升了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命。

從高邊驅(qū)動到低邊驅(qū)動，SmartFET的多效“收益”

通常在使用MOSFET的時候，首先要有合適的驅(qū)動，例如一個合適的門極電阻。同時為了防止場效應(yīng)管的損壞，我們還要有各種保護措施，例如過流過溫和過壓的保護電路，來保證其長期可靠運行不致?lián)p壞。通常這些保護電路都是由分立器件達成，既增加系統(tǒng)成本，同時也占據(jù)了較大的PCB空間。

而SmartFET產(chǎn)品把這些驅(qū)動和監(jiān)測保護電路都集成到標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的封裝里面，因此一個SmartFET有兩個主要部件組成：首先它有一個基于標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的功率級負(fù)責(zé)向負(fù)載提供電流；第二個就是控制級，這里面主要是指MOSFET的驅(qū)動和監(jiān)測保護電路，有了這個控制級就能夠正確的開關(guān)MOSFET，同時能夠防止其損壞。這樣既可以增加MOSFET使用的可靠性，同時也能節(jié)省系統(tǒng)成本，以及減少PCB占用的空間。這些優(yōu)點使得SmartFET在汽車電子里面得到了廣泛的使用。

高低邊驅(qū)動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（Low Side Driver, LSD）：在一個直流電源供電的電路中，低邊驅(qū)動是指通過控制連接到負(fù)載地線（或接地端）的開關(guān)元件來實現(xiàn)對負(fù)載電流的接通和關(guān)斷。當(dāng)這個“開關(guān)”（通常是MOSFET或晶體管）導(dǎo)通時，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，負(fù)載與地之間的路徑被切斷，從而停止電流流動。

高邊驅(qū)動（High Side Driver, HSD）：高邊驅(qū)動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)動相對復(fù)雜一些，因為它需要處理的問題包括確保柵極驅(qū)動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)動電壓。當(dāng)高邊開關(guān)導(dǎo)通時，負(fù)載與電源之間形成通路開始工作；而開關(guān)關(guān)斷時，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；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。這兩種方式都有各自的優(yōu)缺點和適用場景，設(shè)計時根據(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電路，高邊SmartFET事實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。

第一大類就是燈泡和電容負(fù)載。這類負(fù)載的特點是他們在剛開始導(dǎo)通的時候，會有一個浪涌電壓。例如燈泡在冷態(tài)的時候，它的電阻比較小。剛開始導(dǎo)通的時候的電流會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它的額定電流。電容更是如此，在剛開始導(dǎo)通的時候它有一個充電電流。這個時候就要求高邊的SmartFET能處理這個浪涌電流。這些典型的負(fù)載如車內(nèi)外的照明，或者像在ECU里常見的各類DCDC電源模塊，等等。

第二種負(fù)載就是感應(yīng)負(fù)載。像各種電機和繼電器這類負(fù)載他們有一個共同的特點，里面有能量的線圈在斷開的時候是要有一個續(xù)流的回路，同時在原邊線圈里面可能會產(chǎn)生一個感應(yīng)電壓（也叫做反激電壓）。這些反激電壓會在功率器件上產(chǎn)生過壓，必須要把這個過壓鉗制到合理的范圍，確保不會引起MOSFET功率開關(guān)的損壞。這類負(fù)載例如雨刷器、啟動器、車門模塊、暖通空調(diào)(HVAC)、燃油噴射器、電動助力轉(zhuǎn)向、油門控制等的電機和繼電器等。

第三類就是電阻式負(fù)載。電阻式負(fù)載本身既沒有浪涌電流也沒有過壓的情況出現(xiàn)，但是為了及時知道負(fù)載的變化，需要精確的電流檢測能力。例如在LED應(yīng)用中，當(dāng)一串LED燈珠如果其中有一顆LED發(fā)生了損壞，這一串LED的燈串的電流就會發(fā)生變化。這個變化可能不大，但是需要及時準(zhǔn)確的把它檢測出來。這類應(yīng)用除了LED照明以外，還包括加熱單元、變速器和發(fā)動機管理系統(tǒng)等。

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)。這個網(wǎng)絡(luò)不僅是數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，同時也是電源網(wǎng)絡(luò)。區(qū)域控制器架構(gòu)由于它是由以太網(wǎng)組成的一個環(huán)形網(wǎng)，因此它很容易擴展，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)進行傳遞和處理，同時電源也是通過網(wǎng)絡(luò)進行按級分配。因此其中SmartFET會有很大的用處：用作整個區(qū)域控制器的efuse保險絲來保護電路，不至于因為浪涌電流或高壓造成損壞；同時它也可以控制整個區(qū)域控制器架構(gòu)的電源的通斷；還可以通過SmartFET來決定什么時候把負(fù)載接到電源上面，什么時候把負(fù)載從電源上斷開。

安森美SmartFET的這些特點讓應(yīng)用更容易

SmartFET是一種先進的半導(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，實現(xiàn)了緊湊的封裝和優(yōu)化的性能。設(shè)計理念著重于提供高度集成的保護特性，如過溫保護、過載保護和短路保護，以確保系統(tǒng)在各種故障情況下的安全運行。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)計制作區(qū)域控制器架構(gòu)PCB板的時候，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯院挽`活性，不會因為外部負(fù)載變化而要重新制作PCB板，這是一個非常大的優(yōu)勢。

審核編輯：劉清