預驅(qū)動器和MOSFET控制功率負載的電路設計

隨著汽車電子設備的不斷增多，如自動變速箱，電動后視鏡折疊、中控自動門鎖等高級功能的普及，我們電控模塊的驅(qū)動方式也發(fā)生了改變，從傳統(tǒng)的板內(nèi)繼電器的驅(qū)動方案到現(xiàn)在越來越多的半導體驅(qū)動芯片(預驅(qū)動器、MOSFET)的解決方案。

現(xiàn)在的主流應用是采用板內(nèi)繼電器來控制功率負載。雖然繼電器的成本比較低，控制也相對簡單，但是其大體積、短壽命和會產(chǎn)生噪聲的缺點也非常明顯，具體請參考表1。

表1：板內(nèi)繼電器驅(qū)動方案優(yōu)缺點比較

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

1)故障保護和診斷參數(shù)的配置

2)根據(jù)實際負載情況，選擇合適的MOSFET

3)MOSFET散熱的計算

負載故障大致可以可分為過壓、過熱、開路、對地短路、負載短路等。其中，預驅(qū)動器可以對開路，對地短路，負載短路的故障進行保護和診斷，可以適用于不同種類的負載(感性負載、電阻類負載、電機負載等)，并且以滿足汽車電子環(huán)境測試的國家標準。

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

首先，MOSFET是通過負載直接與汽車電池相接，那么汽車電池的電壓直接作用于MOSFET，所以VDSS一定要高于汽車電池的電壓，對于12V汽車系統(tǒng)來說，考慮到汽車上拋負載的測試條件，40V以上的VDSS比較合適，而對于24V汽車系統(tǒng)來說，60V的VDSS比較合適，一般來說VDSS越高，成本也會越高。

其次， 負載的功率是選擇MOSFET的一個必要條件，通過負載的電流越大，MOSFET的導通電阻就要越低。同樣的一般來說導通電阻越小，成本也會越高。

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

另外，預驅(qū)動器在診斷過流故障的時候，往往會有自動檢測功能，也就是說，如果負載短路發(fā)生，預驅(qū)動器會每隔一段時間打開MOSFET對電流進行檢測。

如果負載短路發(fā)生，預驅(qū)動器會每隔10m s或者40ms(根據(jù)不同配置)打開MOSFET 45μs，那么在這45μs內(nèi)，MOSFET就會處于短路狀態(tài)，那么我們就要計算在這期間產(chǎn)生的過熱是否會把