內建智慧診斷功能 高側開關提升汽車電路保護
汽車電子產業一直是智慧型低電壓負載控制發展的主要驅動來源。隨著汽車的標準電氣系統以智慧型自我保護元件替代保險絲和離散式元件，這些智慧型功率元件已開始廣泛被用於各種市場。用於消費類產品的智慧型電源具有更好的經濟效能、更高的容錯性、增強的適用性及更高的可靠性，加上市場需求不斷擴大，因此半導體供應商已將其納入產品開發計畫中。
在汽車配電及電氣控制系統中，智慧型高側開關是標準組件，具有診斷功能的高/中電流元件在汽車負載管理方面，已基本取代保險絲和可重置斷路器。
產品邁向標準化 智慧高側開關運用增加
在配電方面，單個電路和相關布線透過使用智慧型高側開關得到保護。在車體、照明和動力傳動裝置方面，單個負載可由具有診斷功能的智慧型元件驅動。這些診斷功能使用電流感測、及/或狀態反饋固定參數診斷、及/或自我保護功能。
自主的自我保護幾乎存在於每個不同的地方。第一代高電流智慧型元件的主要特性是單通道輸出、普遍的封裝外型並具有離散式接口。一台普通車輛可能包括幾十個智慧型高側開關。這些高側開關還廣泛用於許多汽車配電中心的選擇負載，但數量較少。要最大限度地降低汽車系統中的輸入/輸出(I/O)要求，新的智慧型電源選擇包括串列匯流排接口、多通道輸出及軟體限製的可程式化設計(Soft Limit Programmability)。
然而，為原始設備製造廠(OEM)產品架構特別定製元件，可能具有未知的產品生命週期、潛在的強制設計變更，或因停產(EOL)導致不可預見的重新設計。對多通道元件的軟體功能整合度越高，越能提供更優化的設計。然而，標準化元件更有利於二級市場，這些標準化元件可從多種管道獲得，且軟體複雜度最低。
使用標準化智慧型功率元件的二級製造商，可期望這些完全符合AECQ101標準的元件具有最高級別的可靠性，且其成本仍由跨多個市場的全球高產量所驅動。
高側開關具通用保護功能
高側開關是最常用的元件。這些元件在線路保護方面取代傳統的保險絲，但也可控制替換繼電器或矽負載開關。有兩種常見的實現方式，這些方式透過不同廠商生產具有類似功能的產品，為市場提供大範圍的負載電流。
其一為高負載電流，電池引用接口需預驅動電晶體，通常具電流回饋比例。這些元件具有在反向負載條件下增強金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的反向電池保護功能。其次為低負載電流，接地參考邏輯位準回饋，帶狀態回饋及不帶狀態回饋。運行特徵及電荷泵尺寸通常支持達250Hz的照明用脈衝寬度調變(PWM)。這些類型元件設計用於驅動如控制電磁閥等電感負載時，箝制能量避免迅速衰減。
對於直流馬達負載，普通尺寸及封裝的P/N半橋元件，可從多個供應商獲得。對於可變高直流馬達控制，P/N半橋可提供自我保護、負載電流監控及較高頻率的PWM操作等功能。
圖1所示的半橋電路圖顯示大量通用的自我保護功能，包含短路保護、電流限制、熱關斷、過壓保護及負載突降(Load Dump)相容性、滯回低電壓和靜電保護(ESD)等。
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| 圖1 P/N半橋電路框圖 |
高側智慧開關適於車輛照明應用
高側智慧開關適於車輛照明應用
高側智慧型開關最常用於照明應用。在12伏特(V)系統中，保險絲的典型插頭電源為3~30安培(A)。由於智慧型電源變得可用，且具有單獨電路診斷功能的額外優勢，照明負載往往使用每條電路的較低電流，且具有多條用於診斷功能的獨立電路。隨著標識及位置照明轉移到發光二極體(LED)，負載電流便進一步減少。
為滿足二級市場應用，控制器系列方案會有數量不同的標準化輸出，可進行程式化設計或調整到特定產品配置。在緊急車輛照明市場，照明啟動順序可能隨客戶不同而有差異。小型遊艇及航運市場照明要求增加，有可能需要輔助電源或控制幫浦、雨刷或風扇的直流馬達。
圖2顯示能為各種應用及市場縮放自如的通用負載控制器框圖。有四個基本負載類別定義有通用輸出；其中三個類別為標準負載，如照明或電源供電，另一個為可變直流馬達，包含低電流<4A(主要用於LED和單燈絲標識燈)、中電流<20A(用於照明、儀器和輔助電源)、高電流10~30A(用於更高功率的照明和設備電源)和高電流馬達驅動<35A(用於單向半橋和雙向全橋操作中的可變散熱風扇和幫浦)。
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| 圖2 通用負載控制器 |
設想如小型船舶的應用場景，單向馬達輸出用於驅動艙底鼓風機及艙底幫浦，雙向馬達輸出可用於功率調整操作，其餘電源開關用於停靠燈、停泊燈、駕駛員座艙照明、儀表電源、燃油幫浦、雨刮器、喇叭和所有其他低電壓負載。這些相同的負載類型及功能在公用設備、大型休旅車系統、園林機械等方面類似，允許重複使用廣泛的設計模組。
圖2所示的Vbat電源在某些應用場景可以直接連接到電池系統，因為所有智慧型功率元件的關斷狀態漏電流設計均採用最小值。常見的負載類型及設計問題包含以下幾項。
．電阻
電阻是主要的典型負載，毋需增加元件即可驅動，這可實現燈絲及LED照明的PWM。
．電感
電感負載，如電磁閥，可在不增加元件的情況下進行驅動，但前提條件是未抑制的感應尖峰(UIS)電壓在元件的額定值範圍內。
．直流馬達
對於非PWM驅動馬達，高側開關通常可替代繼電器。斷開過程中的應力可能需要額外的元件，如再循環路徑或貼片壓敏電阻(MOV)。
．可調直流電馬達
使用P/N半橋的可調馬達控制解決方案必須關注PWM頻率，以及所需的上升時間、下降時間與效率。開關頻率影響排放量和PWM精密度，PWM、上升及下降時間會影響開關損耗(效率)。由於P/N元件的拓撲結構，如果要求反向電池保護功能，則需要額外的外部元件。
．電源供電
輔助電源供電及附件系統通常做為電流負載處理。如果浪湧電流過多，則可能需要軟啟動或重試策略。
．負載布線
在所有情況下，考慮線規時，必須考慮智慧型電源元件的自激短路保護限制。
對於負載智慧型電源控制方面，常見的設計問題之一為電池反向。通常照明不需要電池反向保護。必須分別仔細檢查其他負載的電池反向相容性及保護功能。使用P通道MOSFET或繼電器的反向電池結構，可用於智慧型功率元件前面的Vbat電源。用於所有需反向電池保護電路的常用電源繼電器在「零關斷狀態」下還可能有電流消耗。對於長時間不使用的設備，這可能是一個特別須關注的問題。
