什么是IPD？MOSFET和IPD的區別？IPD在車(chē)載行業(yè)中的應用

什么是 IPD？

IPD 的全稱(chēng)是 Intelligent Power Device，即“具有智能功能的電源器件”。根據制造商的不同，其叫法也不一樣，有時(shí)也被稱(chēng)為 Smart Switch、High-side /Low-side Switch 等，那么怎樣才算是“智能”呢?

MOSFET 和 IPD 的區別

當提到半導體開(kāi)關(guān)時(shí)，通常就會(huì )想到 MOSFET。IPD 的基本功能是開(kāi)關(guān)，內部結構 (芯片) 的大部分是 MOSFET 本身，但 IPD 增加了具有各種附加功能的邏輯部分 (這里稱(chēng)為“智能功能”)。例如從下圖 (圖1) 的產(chǎn)品框圖來(lái)看，紅色部分相當于 Power Device 的 MOSFET，黃色部分相當于 Intelligent 的附加功能，下文介紹它的附加功能和優(yōu)點(diǎn)。

圖1 產(chǎn)品框圖示例

IPD 的附加功能和優(yōu)點(diǎn)

不同產(chǎn)品的附加功能各不相同，但一般包括以下內容：過(guò)熱保護、過(guò)壓保護、過(guò)載保護、電流檢測、診斷功能、反極性保護、拋負載保護和電池、負載和接地斷開(kāi)連接檢測。以下將簡(jiǎn)要介紹提供這些附加功能的原因以及優(yōu)勢。例如 IPD 具有過(guò)流和過(guò)熱保護電路：如果僅使用 MOSFET 作為開(kāi)關(guān)，當電路中的負載發(fā)生短路時(shí)，MOSFET 本身也將產(chǎn)生故障，但 IPD 中的過(guò)流和過(guò)熱保護電路可使其在短路等異常情況下，也可以繼續作為開(kāi)關(guān)工作而不會(huì )斷路。

機械保險絲可以通過(guò)熔化來(lái)阻止過(guò)大電流的流動(dòng)，因此經(jīng)常需要物理更換才能恢復，所以 IPD 被用來(lái)代替機械保險絲。當使用 IPD 作為半導體保險絲時(shí)，它可以檢測過(guò)大電流等異常情況，及時(shí)中斷，并將異常情況通知微控制器，以使其在固定的時(shí)間恢復，這樣就無(wú)需對部件進(jìn)行物理更換。另一個(gè)經(jīng)常與 IPD 產(chǎn)生聯(lián)系的是機械繼電器。繼電器是通過(guò)外部信號進(jìn)行開(kāi)關(guān)的元件，由于其開(kāi)關(guān)采用機械觸點(diǎn)，因此會(huì )產(chǎn)生機械噪聲。

除此之外，機械接觸點(diǎn)存在耐用性和可靠性方面的問(wèn)題。而 IPD 是半導體，因此不存在機械耐久性問(wèn)題，而且噪音低、體積小，并且還具有機械繼電器所不具備的保護功能，因此雖然成本略高，但具有更高可靠性。如下表 (表1) 所示，在對機械保險絲、機械繼電器和 IPD 進(jìn)行比較時(shí)，由于 IPD是半導體，因此其成本和設計工時(shí)高于機械元件，但它有助于在有限的 ECU 面積內節省空間，并能通過(guò)各種附加功能確保高可靠性。

表1 機械保險絲、機械繼電器和 IPD 功能對比

IPD 的用途和主要應用

IPD 用途廣泛，在汽車(chē)應用中尤為流行，例如：風(fēng)扇、加熱座椅、智能配電、PTC 加熱器、起動(dòng)機繼電器、前窗除冰系統、制動(dòng)用電動(dòng)真空泵、后視鏡和后窗除霧器等。IPD 可用于驅動(dòng)上述不需要反向控制的低電流電機，如果有多臺電機，也可以通過(guò) 2 通道和 4 通道產(chǎn)品系列在單個(gè)封裝中驅動(dòng)它們，如下圖 (圖2) 所示：



圖2 4 通道產(chǎn)品的示例

英飛凌車(chē)載 IPD 的功能

高質(zhì)量、故障率極低

診斷功能可反饋負載驅動(dòng)狀態(tài)

快速開(kāi)關(guān)/轉換速率而不影響 EMC

近 30 年的 IPD 銷(xiāo)售和技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗

適用于 Tj=175°C 的 Grade 0 產(chǎn)品系列

1 通道和 2 通道版本產(chǎn)品之間的引腳兼容性

從低電流驅動(dòng)到超低導通電阻的廣泛產(chǎn)品陣容

產(chǎn)品范圍廣，包括 Grade 0

PROFET+2 系列采用英飛凌的最新技術(shù)，有適用于 12V 電池的 1 通道、2 通道和 4 通道版本，以及適用于 Tj=175°C 的 Grade 0 產(chǎn)品，如下圖 (圖3) 所示：

圖3 英飛凌適用產(chǎn)品分類(lèi)圖

1 通道和 2 通道產(chǎn)品的引腳兼容性

如下圖 (圖4) 所示，通過(guò)將 1 通道和 2 通道產(chǎn)品封裝在同一個(gè)小封裝中，那么即使在設計過(guò)程中通道數量增加，也能實(shí)現引腳兼容的替換。

圖4 1 通道和 2 通道產(chǎn)品的引腳兼容性

關(guān)于診斷功能

英飛凌 IPD 系列中最新的高壓側開(kāi)關(guān) PROFET 除具有保護功能外，還具有診斷功能。該診斷功能不僅能反饋負載輸出端的異常情況，還能通過(guò)電流檢測反饋流經(jīng)負載的電流大小。下圖 (圖5) 為高壓側開(kāi)關(guān)數據表中的參考電路，其中 IS 引腳向微控制器的模擬數字轉換器 (ADC) 發(fā)送信號以提供反饋。IS 引腳端根據負載狀態(tài)提供"電流"輸出。圖中 RSENSE 和 IS 端子的輸出電流 (=Is[A]) 決定了施加到 ADC 輸入端的電壓。

圖5 高壓側開(kāi)關(guān)數據表的參考電路

①正常運行時(shí) (無(wú)異常)

Is＝IL/kILIS···IL= 流過(guò)負載的電流 [A]，kILIS= 確定 Is 的常數 (因產(chǎn)品而異)。如果保護功能等未檢測到異常，則 Is 的輸出電流與負載電流 IL 成正比。

②當過(guò)熱保護和過(guò)載保護被激活時(shí)

Is=IIS (FAULT)。當過(guò)熱保護或過(guò)載保護檢測到異常時(shí)，如果繼續按原樣運行可能會(huì )導致 IC 毀損，此時(shí)需要關(guān)閉輸出，并輸出高于情況①中的 Is=IIS (FAULT)，如下圖 (圖5) 所示。此外在其他開(kāi)載情況下，當輸出接通或斷開(kāi)時(shí)，Is 端子會(huì )輸出相應的反饋電流。

圖6 過(guò)熱保護和過(guò)載保護被激活時(shí)的情況

總結

本文為大家介紹了 IPD 的功能、優(yōu)勢和相關(guān)用途，并詳細說(shuō)明了英飛凌車(chē)載 IPD 的相關(guān)功能。

審核編輯：劉清