預(yù)驅(qū)動(dòng)器和MOSFET控制功率負(fù)載的電路設(shè)計(jì)

隨著汽車(chē)電子設(shè)備的不斷增多，如自動(dòng)變速箱，電動(dòng)后視鏡折疊、中控自動(dòng)門(mén)鎖等高級(jí)功能的普及，我們電控模塊的驅(qū)動(dòng)方式也發(fā)生了改變，從傳統(tǒng)的板內(nèi)繼電器的驅(qū)動(dòng)方案到現(xiàn)在越來(lái)越多的半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)芯片(預(yù)驅(qū)動(dòng)器、MOSFET)的解決方案。

現(xiàn)在的主流應(yīng)用是采用板內(nèi)繼電器來(lái)控制功率負(fù)載。雖然繼電器的成本比較低，控制也相對(duì)簡(jiǎn)單，但是其大體積、短壽命和會(huì)產(chǎn)生噪聲的缺點(diǎn)也非常明顯，具體請(qǐng)參考表1。

表1：板內(nèi)繼電器驅(qū)動(dòng)方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

隨著技術(shù)的不斷推進(jìn)，板內(nèi)繼電器帶來(lái)的問(wèn)題迫切需要解決，負(fù)載的故障狀態(tài)也需要診斷，因此新型的預(yù)驅(qū)動(dòng)器和MOSFET控制功率負(fù)載的解決方案越來(lái)越多的得到關(guān)注，現(xiàn)如今安森美半導(dǎo)體MOSFET的Rds(on)可以做到幾毫歐姆，這就意味著我們可以用MOSFET來(lái)驅(qū)動(dòng)幾十甚至上百安培的電流，其耐壓也可以做到60?100V特，可以滿(mǎn)足我們汽車(chē)電子的要求，所以考慮用MOSFET取代繼電器，而MOSFET自我保護(hù)功能較差，汽車(chē)電子應(yīng)用中往往會(huì)存在一些過(guò)流，過(guò)壓的惡劣工況會(huì)擊穿和損壞MOSFET, 所以在應(yīng)用的時(shí)候必須選用預(yù)驅(qū)動(dòng)器來(lái)加以保護(hù)。首先我們來(lái)了解一下預(yù)驅(qū)動(dòng)器的工作方式(見(jiàn)圖1)。其采用MOSFET作為負(fù)載的開(kāi)關(guān)，通過(guò)預(yù)驅(qū)動(dòng)器的G管腳和D管腳實(shí)現(xiàn)對(duì)MO S F E T的控制和負(fù)載故障信息的采集，并且通過(guò)S P I通信和F L T B管腳反饋到微控制器。通過(guò)這種解決方案我們可以既解決了繼電器所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的診斷功能，又有效的控制驅(qū)動(dòng)電路模塊占用PCB板的空間，壽命也有了很大的提升，同時(shí)也消除了由繼電器帶來(lái)的噪聲。當(dāng)然在應(yīng)用的時(shí)候也需要有一些注意事項(xiàng)。

1)故障保護(hù)和診斷參數(shù)的配置

2)根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況，選擇合適的MOSFET

3)MOSFET散熱的計(jì)算

負(fù)載故障大致可以可分為過(guò)壓、過(guò)熱、開(kāi)路、對(duì)地短路、負(fù)載短路等。其中，預(yù)驅(qū)動(dòng)器可以對(duì)開(kāi)路，對(duì)地短路，負(fù)載短路的故障進(jìn)行保護(hù)和診斷，可以適用于不同種類(lèi)的負(fù)載(感性負(fù)載、電阻類(lèi)負(fù)載、電機(jī)負(fù)載等)，并且以滿(mǎn)足汽車(chē)電子環(huán)境測(cè)試的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

那么如何來(lái)選擇一顆合適的MOSFET作為負(fù)載的開(kāi)關(guān)呢，要結(jié)合MOSFET的參數(shù)，負(fù)載的參數(shù)和總體方案的成本來(lái)考慮。

首先，MOSFET是通過(guò)負(fù)載直接與汽車(chē)電池相接，那么汽車(chē)電池的電壓直接作用于MOSFET，所以VDSS一定要高于汽車(chē)電池的電壓，對(duì)于12V汽車(chē)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，考慮到汽車(chē)上拋負(fù)載的測(cè)試條件，40V以上的VDSS比較合適，而對(duì)于24V汽車(chē)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，60V的VDSS比較合適，一般來(lái)說(shuō)VDSS越高，成本也會(huì)越高。

其次， 負(fù)載的功率是選擇MOSFET的一個(gè)必要條件，通過(guò)負(fù)載的電流越大，MOSFET的導(dǎo)通電阻就要越低。同樣的一般來(lái)說(shuō)導(dǎo)通電阻越小，成本也會(huì)越高。

以一顆MOSFET NID9N05CL為例，通過(guò)規(guī)格書(shū)，我們可以得到如下參數(shù)：

另外，預(yù)驅(qū)動(dòng)器在診斷過(guò)流故障的時(shí)候，往往會(huì)有自動(dòng)檢測(cè)功能，也就是說(shuō)，如果負(fù)載短路發(fā)生，預(yù)驅(qū)動(dòng)器會(huì)每隔一段時(shí)間打開(kāi)MOSFET對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)。

如果負(fù)載短路發(fā)生，預(yù)驅(qū)動(dòng)器會(huì)每隔10m s或者40ms(根據(jù)不同配置)打開(kāi)MOSFET 45μs，那么在這45μs內(nèi)，MOSFET就會(huì)處于短路狀態(tài)，那么我們就要計(jì)算在這期間產(chǎn)生的過(guò)熱是否會(huì)把