HSD硬件設計指南

硬件設計指南

VIPower高邊驅(qū)動器

MO-5+M0-5Enhanced

Rev.3.0,September2009

PeterBRAUSCHKE

M0-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

版本歷史

版本日期作者變更

1.02006年8月LudekBeran,

文檔創(chuàng)建

PeterBrauschke

1.12006年8月LudekBeran,

胞力n多帝士四

PeterBrauschke

微小調(diào)整

2.02007年8月LudekBeran,2.2.2章增加混合式HSDs的電源反接保護；

PeterBrauschke2.4章增加：M0-5Enhanced產(chǎn)品介紹；

3章增加：模擬電流檢測；

微小調(diào)整

3.02009年9月LudekBeran,3.7.3章增加：K系數(shù)校正方法；

PeterBrauschke,5章增加：開關感性負載；

JochenBarthel,6章增加：為燈泡負載選擇HSD；

MassimoLeone,7章增加I：HSD的并聯(lián)使用；

BenedettoRubino8章增加：ESD保護：

9章增加：可靠性設計;

微小調(diào)整

2

力

M0-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

1.概述................................................................................6

2.一般性說明.........................................................................7

2.1.應用原理圖（整體數(shù)字式，整體和混合模擬式HSD）.........................................................7

2.2.電源反接保護.................................................................9

2.2.1.整體式HSD的電源反接保護..............................................9

.用電阻進行電源反接保護.................................................9

.

.用MOSFET進行電源反接保護............................................12

2.2.2.混合式HSD的電源反接保護.............................................14

2.3.微控制器保護................................................................15

2.4.

2.4.1.新特性簡介..............................................................16

2.4.2.輸出關閉時的空載/輸出對電源短路......................................17

2.4.3.功率極限指示............................................................18

2.4.4.功率極限指示-模擬驅(qū)動器的例子......................................18

2.4.5.功率極限指示-數(shù)字驅(qū)動器的例子......................................19

2.4.6.M0-5Enhanced：：模擬電流檢測真值表....................................20

2.4.7.高級功率極限指示.......................................................21

3.模擬電流檢測......................................................................22

3.1.介紹.........................................................................22

3.2.等效簡化的工作原理.........................................................23

3.3.正常工作（（輸出通道打開，，CS_DIS為懶電郵）...............................23

3.4.過熱指示（（輸出通道打開，，CS_DIS）.................................26

3.5.電流檢測的ESD和尖峰電壓保護..............................................26

3.6.電流檢測電阻計算...........................................................27

3.7.不同負載配置下的診斷.......................................................27

3.7.1.并聯(lián)負載的診斷.........................................................27

3.7.2.對不同負載的兼容診斷..................................................28

3.7.3.K系數(shù)的校正方法........................................................29

3.8.模擬電流檢測診斷............................................................31

3.9.M0-5HSD加外圍電路........................................................34

輸出關閉時的空載檢測

3.10.M0-5EnhancedHSD..................................................................................................................34

輸出關閉時的空載檢測

4.數(shù)字狀態(tài)的輸出....................................................................35

4.1.數(shù)字HSD診斷...............................................................35

5.開關感性負載......................................................................37

3

力

M0-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

5.1.打開瞬間的情況..............................................................37

5.2.關閉瞬間的情況..............................................................38

5.2.1.計算HSD的能耗........................................................39

5.2.2.計算舉例................................................................40

5.3.選擇合適的HSD..............................................................................................................42

5.3.1.

5.4.外部鉗位電路選擇...........................................................46

5.4.1.鉗位電路舉例...........................................................47

5.4.2.電路1見前面章節(jié)））的器件選擇指南.................................51

）（見前面章節(jié)

5.4.3.（VN5E025AJ+DC,外部鉗位））.....................................................................55

舉例馬達

6.為燈負載選擇高邊驅(qū)動器...........................................................65

7.HSD的并聯(lián)........................................................................71

7.1.CS_DIS（電颯W搬沖）和IN（（輸入））的并聯(lián)....................................71

7.1.1.用不同的電源網(wǎng)絡供電的整體式HSD并聯(lián).................................71

7.1.2.用不同電源網(wǎng)絡供電的混合式HSD并聯(lián).................................73

7.1.3.整體式與混合式HSD并聯(lián)使用......................................74

7.2.CS電流盜則））pin的并聯(lián).................................................75

（

7.2.1.用不同電源網(wǎng)絡供電的整體式HSD并聯(lián)..................................75

7.2.2.用不同電源網(wǎng)絡供電的混合式HSD并聯(lián)..................................77

7.2.3.用不同電源網(wǎng)絡供電的整體式與混合式器件并聯(lián)..........................78

7.3.輸出并聯(lián)....................................................................80

7.3.1.整體式HSDs.............................................................................................................80

7.3.2.混合式HSDs............................................................................................................80

7.3.3.整體式HSD與混合式HSD并聯(lián)...........................................80

8.ESD保護...........................................................................81

8.1.HSD的ESDW--計算........................................................81

8.2.ESDECU圈布線考慮））................................................85

保護-

9.可靠性設計........................................................................86

9.1.HSD和繼電器放在同一塊PCB板時的設計建議.................................86

4

M0-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

5

力

M0-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

1.

述

這份文檔的目的是使工程師能夠更好地理解VIPower高邊開關的工作原理，并使設計

省時省錢。

現(xiàn)在VIPower高邊開關推出了第五代智能功率驅(qū)動器（內(nèi)部型號為：M0-5）.最新一

代的驅(qū)動器在以前的設計經(jīng)驗基礎上，具有更可靠的性能、更多的功能、更密集的封裝并

且價格更低。

相對于很多其他邏輯IC來說，現(xiàn)代高邊驅(qū)動器（HSD）的復雜程度還是相當?shù)偷?。?/p>

是要在不穩(wěn)定的汽車電源系統(tǒng)和惡劣環(huán)境溫度下將數(shù)字邏輯功能與模擬功率結構結合起來

則是一個很大的挑戰(zhàn)。

M0-5器件滿足了上面的所有要求。它具有極高的性能、可靠性和最優(yōu)的性價比。

6

BiMO-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

2.

般性說明

2.1..、聚體和混合模擬式式HSD）3H

應礴理圖（（整體數(shù)字式\'batswitched

”△ii

C!=

IOOnF5OV

嚎

(OpttomlScvNoce?)

衽■

OUTPUT〉

牛

GND

C3

"rIO&FIOOV

GND

Fig.i:MonolithicDigitalHSD-Applicationschematic

圖1：整體式數(shù)字HSD應用原理圖

Notel:如果不需要禁止狀態(tài)端口，ST_DISpin應該懸空或者通過10k的電阻接地。直接接地是不安全

的（ISO脈沖通過ST_DISpin鉗位會對器件造成損壞）。

Note2：上拉電騏R5是可選的（用于輸出關閉時的空載檢測）。

Note3：IN^ST_DISpin不需要外接下拉電阻，因為有內(nèi)部下拉。

iOOnF

!?

(OpoooAlfotMG-SEfifaaxcd.

冬-SwNot*5)

令

3，dVTTCE，

號

!0tf100V

圖2：整體式模擬HSD-應用原理圖

7

/M-

Fig.3:HybridAnalogueHSD-Applicationschematic

圖3：混合式模擬HSD-應用原理圖

Note4：如果不需要禁止電流檢測功能，CS-DISpin應該懸空或者通過10k電阻接地。直接接地是不安

全的（ISO脈沖通過ST_DISpin鉗位會對器件造成損壞）。

ISO脈沖參考ISO7637-2：2004（E）

Note5：上拉電阻R5是可選的（用于M0?5Enhanced輸出關閉時的空載檢測）。

8

M0-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

2.2.

2.2.1,整體式HSD的電源反接保護

電源反接保護電路接入到驅(qū)動器的接地端。有3種方案：電阻，電阻十二極管，場效應管。通過芯

片接地端的電流較小，不需要大功率器件。然而該保護電路須能承受ISO脈沖的電流和電壓沖擊。該簡

單的接地電路不能對所連接的負載進行保護。電源反接時，反向電壓會通過HSD內(nèi)部的反向二極管加在

負載上，這時HSD的功耗是非常關鍵的（取決于負載大小和HSD的散熱）。內(nèi)部二極管的典型壓降為

0.7V,因此HSD的功耗=0.71LOAD[W].

.用電阻進行電源反接保護

vdd

+

13V

Fig.4:Voltagelevelsduringrexenebatten,-resistorpmection

圖4：電源反接時各點電壓■電阻式保護電路

地線上的電阻Rgnd防止了電源反接時HSD內(nèi)部二極管的短路。最小電阻值取決于HSD地端的反向

直流電流限制。最大電阻值取決于HSD工作時最大自身電流Is在電阻上產(chǎn)生的壓降，該電阻的壓降提

高了最小的高電平輸入門檻值，通常該壓降不應該超過1V（取決于微控制器的I/O口電平）。

（1）%即4產(chǎn)一（2）RG版?丁——0）品=#

該電阻可以被多個不同的HSD共用。這種情況下，公式（1）中的ls（on）max等于多個HSD的

ls（on）max之和。當微控制器與HSD不共地時，Rgnd的壓降就會使輸入門檻值產(chǎn)生電壓偏移（IS（on）max

*RGNDJ如果是數(shù)字式HSD,在其狀態(tài)輸出端也會有同樣的電壓偏移。電壓偏移量會根據(jù)處于工作的

HSD的數(shù)量而不同。這種情況下要滿足公式（1）的話，Rgnd必須很小，這時又可能滿足不了公式（2）。

為了解決這個問題，ST建議使用二極管或者場效應管的方案（下面章節(jié)將會討論）。

9

M0-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

1)定義MND電平偏移量最大值

VN5O5OJ?Datasheetvalues

Mininputhigl)levelvoltage：VW=2.1V

Max.lughle\elinputcimentIJK=10pA

MaxnrGNDcinrepiTnwn=?200illA

Maxon-statesupplyciureiit:1*3=3mA

MaxlowleveluanisvoltageV$TAT=0.5V@16mA

ST72F561-Datasheetrahies:

\Iinoutputluglilevelvoltage:Vo?=4.3V@-2inA

，”尸ivwada*viMi&c.VjL=0.3Va

fig.5:Logicalle\elscheckTable1:Datasheervalues

圖5：邏輯電平校驗表1：參數(shù)值

最大可接受的地電平偏移量是指在不影響HSD與微控制器之間通訊的前提下Rgnd電壓降的最大值。

STATUS信號電平校驗：

如表1所示，微控制器會認為低于VIL=0.3VDD=0.3*5=1.5V的輸入電平為低電平。HSD

STATUSpin低電平輸出的最大值為0.5V。因此安全的地電平偏移量最大值為1.5V-0.5V=1V。

輸入佶號電平校驗：

如表1所示，微控制器的高電平輸出(4.3V)完全高于HSD高電平輸入的門檻值(2.1V)。10k串聯(lián)電

阻上的壓降相對較?。篟PROT*IIH=10k*100=0.1V。因此電壓偏移的安全余量為：

4.3V-0.1V-2.1V=2.1V。

結果：

Rgnd上可接受的最大電壓降為1V。為了安全起見，我們選擇VGND=0.8V來進行后面的計算。

2)計算電阻值:

G66.6X2

3H4

=>RGXD=22012

V14p一rs

>/OUJ

'GKD200m.-I

3)校驗電源反接時的功耗=)選擇電阻的封裝:

:*一】4片

=0.89Jr=>Package=2512

凡即220a

(Powerratuig(?70℃of2512is1W)

Note6：只有一個電阻串聯(lián)在地端時無法對電源線上的ISO脈沖進行鉗位。正ISO脈沖(>50V)和負ISO

脈沖會通過地端傳送到邏輯端口。因此微控制器與HSD之間要串聯(lián)保護電阻，電阻值可以根據(jù)微控制器

I/O口的最大注入電流極限值進行計算。

10

Si

MO-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

2.2.1.2.用二極管++

vdd

[>E廿

>W-

颯

Fig.6:Voltagelevelsduringreversebattery'-diode+resistorprotection

圖6：電源反接時各點電壓?二極管+電阻式保護電路

地端串聯(lián)的二極管防止了電源反接時通過內(nèi)部二極管短路情況的出現(xiàn)。如果驅(qū)動感性負載，應該并

聯(lián)一個電阻（1k0805封裝）到該二極管上（用于削減感性負載斷開時所產(chǎn)生的反向電壓尖峰）。該保

護電路可為幾個HSD共用，它也會在輸入門檻電壓和STATUS輸出電壓上產(chǎn)生約600mV的偏移量。該偏

移量不會因為共用的HSD個數(shù)而不同。地端二極管允許fSD對50V以上的正ISO脈沖進行鉗位（HSD的

鉗位電壓）。負的ISO脈沖仍然可以通過地端和邏輯端口。*地二極管應該能夠承受正ISO脈沖的鉗位

電流和負ISO脈沖反向電壓沖擊。

二極管的選型:

圖7：正ISO脈沖

我們所考慮的最強烈的正ISO脈沖是testpulse2其參數(shù)為：IV（50V@50防該脈沖疊加在標

稱電源電壓13.5V上，因此總電壓為63.5VoVIPower典型的鉗位電壓為46V（最小41V/最大52V）。在

典型希什的情況卜，剩氽電壓為~63.5V-46V-0.7V=16.8V□ISO~Iff2ohms因此

可以計算得到通過接地二極管的峰值電流為8.4A,持續(xù)時間為50小。

11

M0-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

圖8：負ISO脈沖

我們所考慮的最強烈的負ISO脈沖是testpulse1,其參數(shù)為：IV（-100V@2ms。）這個脈沖直接傳到

GNDpin。因此二極管上的反向峰值電壓至少為100V。

注意：如果脈沖電壓超過反向電壓極限，二極管會工作在雪崩狀態(tài)。

結果:

最大正向峰值電流為：8.4A@50疹;

最大反向峰值電壓為：-100V。

Note7：如上述解釋，串聯(lián)二極管保護電路的HSD不能對電源線上的負ISO脈沖進行鉗位。因此應該在

微控制器與HSD之間串聯(lián)合適的保護電阻。電阻值根據(jù)所用的微控制器的I/O口最大注入電流極限值進

行計算。

Note8：如果采用外部鉗位電路（例如用帶保護電路的電源對HSD供電），則可以選擇參數(shù)較低的二極

管。

2.2.1.3.用MOSFET

Fig.9.Voltage"veh4"力igf-eienebarren-MOSFETpfvtecnof:

圖9：電源反接時各點電壓-MOSFET式保護電路

MOSFET式保護電路會在電源反接時關斷，其能夠?qū)﹄娫淳€上的正負ISO脈沖進行鉗位，并且不會

產(chǎn)生地電平偏移。接在門極與源極之間的電容能使門極即使在負ISO脈沖其間都能保持充電。由RC值

決定的時間常數(shù)應該大于2ms（ISO7637pulse1的持續(xù)時間）。

12

區(qū)iM0-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

表2：電源反接保護電路比較（整體式HSD）

13

）”MO-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

2.2.2.混合式HSD的電源反接保護

與整體式器件相反，所有的混合式VIPowerHSD都不需要任何外部保護電路進行電源反接保護。

因為這些器件有內(nèi)部保護電路（見圖10的"ReverseBat.Prot.”模塊）。

而且，即使在電源反接的情況下輸出MOSFE也是打開的，提供了與正常工作時同樣的低阻通道，

不需要額外考慮電源反接時的功耗問題。

如果在混合式HSD的地端串聯(lián)二極管，其輸出MOSFET就不能在電源反接時打開，也就不能發(fā)揮該

器件的獨特優(yōu)勢。

Fig.10：HybridHSD-re\enebattery,provenon117M則$ii7/r/*-owofriieMOSFET

圖10：混合式HSD-通過MOSFET自動打開進行電源反接保護

■*

后

"昌

i

lOof100V[s

GNDCXDGND

Exupplr-Selfywikh^hufMOSFETeliniiiiaieilbyD^rnl

圖11：舉例-MOSFET的自動打開功能被Dgnd禁止

14

力

M0-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

2.3.

Fig12.ISOpuhenan^eftcPOpin

圖12：ISO脈沖傳到I/O口

如果發(fā)生ISO脈沖或者電源反接的情況，HSD控制端會通過其內(nèi)部結構和地端保護電路被拉到?個

危險電平（見電源反接章節(jié)）。因此每一個接到HSD的微控制器端口都要串聯(lián)一個電阻以限制注入電流。

譯ROT的值必須足夠大，以致能夠保證注入電流低于微控制器I/O口的閂鎖電流極限。我們也要考慮

R>ROT上的壓降，因為HSD需要的輸入電流典型值為10gRPROT必須滿足下面的條件：

ioor,口，4.3r-(2.ir+ir)

：(田+

PEAKDwIOH-IIGNDExample:10/z.4

7--------SKpw-------------------J----------------2QniA

5狂24號的4120包2

推薦的R^ROT值為10k歐（對大多數(shù)的汽車微控制器來說是安全值）。

15

）?M0-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

2.4.

在已有的M0-5驅(qū)動器基礎上，STMicroelectronics推出了一-種新產(chǎn)品，叫做MO-5Enhancedo正

如其名，MO-5Enhanced是基于M0-5的技術，但具有一些更加高級的技術，M0-5Enhanced系列新特性是

為了改進對負載的處理，還有對過載的診斷能力。

接下來的章節(jié)會對這些特性進行詳細的解釋。

241

?改進了模擬電流檢測器件的診斷功能：

關閉狀態(tài)（off-state）的開路/對Vbat短路的指示。

?兼容變化范圍更大的負載：

最優(yōu)化的電流限制范圍

?更快速地檢測過載和對地短路：

功率極限指示

模擬器件：將CS端拉到VSENSEH電平（如TSD）

數(shù)字器件：將STATUS端拉低（如TSD）

16

EiMO-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

2.4.2.

?現(xiàn)在在模擬M0-5EnhancedHSD上也具有該功能（該功能已經(jīng)在數(shù)字HSD上實施）；

?通過外部上拉電阻進行輸出關閉時的空載檢測：

?可通過斷開可選上拉電阻來區(qū)分空載與對電源短路。

Fig.13:Openload/shorttoVcccondition

PullupCS

OpenYesVseiibeHl

loadNo0

ShortYesVsenseH

toVccNoWcnscH

NoininYes0

a!No0

Fig.14'loadroVccTabi。37CSpmtnnff^rafp

圖14：空載/對Vcc短路情況表3：輸出關閉時CS端電平

17

M0-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

2.4.3.功率極限

原理：

?當達到功率極限時診斷馬上響應，不用等到過熱關閉（在數(shù)字和模擬HSD的情況相同）；

?能夠區(qū)分空載和過載情況：

?對周期性負載（例如轉(zhuǎn)向燈或者PWM驅(qū)動的負載）的短路/過載情況能夠進行快速安全的診斷;

?對周期性短路的檢測。

2.4.4.功率極限指示?

圖15：M0-5“軟”對地短路圖16：M0-5“硬”對地短路

Bimr1uwawr1?mwmwf■iw

?fii]

Fig18M0-5Enhanced-Hard''^horrroGND

圖17：M0-5Enhanced“軟”對地短路圖18：M0-5Enhanced“硬”對地短路

18

MO-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

2.4.5.功率極限

圖19：M0-5“軟”對地短路圖20：M0-5“硬”對地短路

Slion(0GND

▼"Sihrls<\WkiesTOicaiai

0HSSuuiirGiR/

2〃也"cbo〃is(rggcrcd

Fig2/-"&中’RND

圖21：M0-5Enhanced“軟”對地短路圖22：M0-5Enhanced“硬”對地短路

19

miMO-5高邊驅(qū)動器硬件設計指南

2.4.6.

Input

OperationmodeOutputlevelCurrentsense

!e^e!

NomudoperalionLOV

ShorttoVbatVbalVSENSEH

H

<u*rlhexternalpullup\SENSEH

OpenloadLI.

iwithoutEFUIptdl八.

E

ShodtoGNDLOV

OvertemperaHireLOV

TableJAnalogue?/rhrr-truthtabletOFF^tate）

表4：模擬器件-真值表（關閉狀態(tài)）

ON-state__________________________________

Input

OperationmodeOutputlevelCurrentsense*

level

NuniidiGperdtiOiiVbfiiIdUlK

Shortto\l>atVbm<lomK

OpenloadVbmOV

Chert?r?1-iNTT^u*r>?V?GC-H

PWM

ftmrrDmitanonVSENSEH

Over!0ad

\^at>uoiiuiial

NoAmwrLututanon

LV?CCTGCA口>

Table5AiialogtittimerTruthtablefON^tatei

表5：模擬器件-真值表（打開狀態(tài)）

過熱、過載、對地短路可以與空載狀態(tài)進行區(qū)分，不需要在關閉狀態(tài)進行檢測，不需要可以切換的

上拉電阻。

可以在沒有外圍器件的情況下實現(xiàn)細節(jié)的診斷功能。