利用智能电源器件开关突破简单解决方案的局限性
作者： Bill Schweber
“简单易行”是众所周知的设计准则和良好的工程实践。毕竟，添加的组件越多，出错或出现意外的可能性就越大。此外，还会对材料清单 (BOM) 产生明显的影响。
尽管如此，每一条准则都有很多合理的例外情况。尤其是当你希望设计一款坚固耐用、“刀枪不入”的产品，能够同时在正常和极端环境下工作，承受可预见和不可避免的压力时，更是如此。为了提高完整性，你可能还希望减少对系统微控制器单元 (MCU) 处理破坏性事件的依赖，转而依靠更快、更可靠的内置硬件，尽量少用或不用软件。
我们来考虑一下基于 MOSFET 的电源开关，这种器件已广泛用于汽车和其他应用中，取代了传统的机电式继电器。数十种这类固态开关为发动机、变速箱、照明、制动、布线和悬挂控制机构的电源轨提供简单的开/关控制。这类半导体开关的使用寿命超过一百万次，而且与机电继电器不同，在恶劣的汽车环境中不易因接触摩擦、老化、气体或碳化物而导致触头失效。
从概念上讲，制造一般的“接通/断开”式开关非常简单。但是，这些基于 MOSFET 的开关在启动或正常运行期间切换高能量电路时，可能会因短路和瞬态而发生故障。因此，必须在开关周围安装各种具有保护作用的能量吸收元件，使其成为更精密的设备。这些新增元件可以安装在 MOSFET 开关外部或其封装内，从而将其转变为一款基本的智能功率器件 (IPD) 开关（图 1）。
图 1：简单的 MOSFET 可用作电源开关（左图），但缺乏能量吸收元件（右图）来保护其免受现实际中不可避免的瞬态和短路的影响。（图片来源：ROHM Semiconductor，作者修改过）
不止于此
除了在电源开关周围使用合适的元件外，还有更多的保护措施。几乎所有载流轨都需要保护，以防止过大电流损坏电源开关或其负载电路。这些过流事件通常由负载内部故障造成。
你可能会认为过流保护的解决方案很简单，而且众所周知：只需在电源轨上安装一个基本的热熔式保险丝即可。如果出现过流，保险丝熔断，从而完全切断破坏性电流的流动。
保险丝解决方案固然有效，但在某些方面，就显得矫枉过正。一旦保险丝熔断，系统 MCU 既无法了解负载模块的情况，也无法对其进行管理。
因此，许多关键电路还采用了电流监控功能。这样，MCU 就能读取过流检测 IC 检测到的错误信号，并根据情况的细微差别向 IPD 开关发送信号，启动关机或重复关机/重启操作。
然而，这可能会导致电路运行不稳定或其他故障。相比之下，[ROHM Semiconductor] 的 [AECQ-100 系列]中先进的 IPD 开关可提供保护，而无需介入 MCU。这些获得了汽车认证 (AEC-Q100) 的器件提供单通道和双通道配置的低压侧或高压侧开关。该系列可采用多种 8 引脚封装，支持多种电压和电流电平。
例如，[BD1HD500FVM-CTR]是一款单通道高压侧开关，导通电阻 (R DS(ON) ) 为 500 mΩ ，限流值为 1.45 A，采用 8 引线 MSOP 封装。相比之下，单通道 [BV1LB025EFJ-CE2]是低压侧开关，RDS(ON) 为 45 mΩ ，限流值为 13 A，采用 HSSOP-C16 封装。
AECQ-100 系列 IPD 开关可在保护发挥作用期间提供最小电流电平，因此如果电路产生错误信号，仍可继续工作。这样，在电路运行过程中出现非致命性异常时，就有可能发出紧急“呼叫”。
此外，这些先进的 IPD 开关还能防止电路停电。如果由于老化而导致机械负载增加，造成电流消耗水平上升时，就会发生停电。由于无需通过 MCU 即可独立运行，因此不仅减少了该功能所需的元件数量，而且提高了可靠性（图 2）。
图 2：使用标准 IPD 开关时，关断是唯一的选择。但是，ROHM IPD 开关支持浪涌电流保护以及之后的稳态运行。（图片来源：rohm semiconductor）
保险丝还有另一个考虑因素。具有明确工作裕度的标准保险丝，可防止在系统或模块上电阶段因较大浪涌电流而导致电源意外切断（图 3，上部）。然而，这种缓冲或“遮蔽”会干扰所需的极限设置。
相比之下，ROHM 的 IPD 开关可以防止浪涌电流，无需遮蔽。（图 3，底部）
图 3：传统的热保险丝有一个模糊区域，用于遮蔽和阻止由于浪涌电流而造成的意外启动（上图），而 ROHM IPD 开关则具有更复杂的阈值和限制（下图）。（图片来源：rohm semiconductor）
因此，即使在稳态运行期间出现微小的电流异常，也能进行高精度检测。同时，由于仍可向负载模块提供最小电流，而不是在异常发生后立即将其关闭，因此系统 MCU 仍可尝试访问该模块进行预防性维护，同时检测运行期间的异常情况。
纵观全局
使用辅以各种保护元件和功能的功率器件是实施有效电源轨管理的必要步骤，但这样还不够，尤其是在恶劣的汽车环境中。在过流情况下，还需要更多的保护和灵活性。
结束语
简单易行是一个值得追求的设计目标，但现实中各种考虑因素及其微妙之处往往意味着，在实际应用中，增加一点复杂性是一种谨慎和更好的方法。通过使用 ROHM AECQ-100 系列的 IPD 开关，可以用较少的元件实现固态电源设备的可靠性、灵活性和优势，同时获得保险丝无法提供的识别和保护功能。
审核编辑 黄宇
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