使用智慧型功率裝置開關來因應簡易型解決方案的侷限性

「保持簡單」是眾所周知的設計準則和優良的工程作法。畢竟，添加的元件越多，出錯或導致意外問題的機率就越高。這還不包括對物料清單 (BOM) 的顯著影響。

儘管如此，每一條準則還是會有許多合理的例外情況。當您努力追求堅固的「防彈」設計時尤其如此，該設計不僅可在正常和極端情況下運作，亦可承受可預見和不可避免的壓力。為了提高完整性，在處理破壞性事件層面，您可能也希望減少對系統微控制器單元 (MCU) 的依賴，轉而採用更快、更可靠的內建硬體，且僅有最少量的軟體甚至沒有軟體。

以 MOSFET 架構的功率開關為例，其廣泛用於汽車和其他應用，以取代傳統的機電繼電器。只要數十個這類的固態開關，就可為引擎、變速箱、照明、煞車、接線和懸吊控制的電源軌提供簡易的開／關控制。這些半導體開關的使用壽命超過 100 萬次循環，與機電繼電器不同的是，在嚴峻的汽車環境中不易因接觸摩擦、老化、氣體或碳化物而發生觸點故障。

從概念上來說，打造通用的開／關切換器很簡單。然而，這些 MOSFET 架構開關可能會因在啟動或正常運作期間切換高能電路時發生的短路和瞬變而受損。因此，開關必須用多種防護性能量吸收元件包覆，才能成為更複雜的裝置。這些額外的元件可以位於 MOSFET 開關的外部或封裝內，就可轉變成基本的智慧型功率裝置 (IPD) 開關 (圖 1)。

圖 1：簡易的 MOSFET 可當作電源開關 (左)，但缺少能量吸收元件 (右)，無法在真實情況中不可避免的瞬變和短路下受到保護。(圖片來源：ROHM Semiconductor，經作者修改)

故事尚未結束

在電源開關周圍使用合適的元件，能做的不只有保護而已。幾乎每個載流電軌都需要保護，以免過大電流破壞電源開關或其負載電路。這些過電流情況通常起因於負載中的故障。

您可能以為過電流保護解決方案並不難且眾所周知：只要在電軌上安裝基本的熱啟動保險絲即可。如果出現過電流情況，保險絲會啟動並進入開路模式，進而完全切斷破壞性電流的流動。

保險絲解決方案當然有效，但某些層面來說，表現過好了。一旦保險絲熔斷，系統 MCU 就無法深入瞭解負載模組上發生的情況，也無法對其進行管理。

因此，許多關鍵電路也會採用電流監測功能。如此一來，MCU 就能讀取由過電流偵測 IC 偵測到的錯誤訊號，並可視情況的細微差異，向 IPD 開關傳送訊號，藉此展開關斷或重複關斷／重啟的循環。

但這可能會導致電路運作不穩定或其他故障情況。相較之下，ROHM Semiconductor 的 AECQ-100 系列進階 IPD 開關無需干預 MCU 即可提供保護功能。這些符合汽車標準 (AEC-Q100) 的裝置能當作單通道和雙通道配置的低側或高側開關使用。提供多種 8 引腳封裝，並且支援多種電壓和電流位準。

例如，BD1HD500FVM-CTR 就是一款單通道的高側開關，導通電阻 (R_DS(ON)) 為 500 mΩ，電流限值為 1.45 A，採用 8 引線 MSOP 封裝。相較之下，單通道的 BV1LB025EFJ-CE2 屬於低側開關，R_DS(ON) 為 45 mΩ，電流限制為 13 A，採用 HSSOP-C16 封裝。

AECQ-100 系列 IPD 開關可在保護運作期間提供最小的電流位準，因此電路可在產生錯誤訊號的同時繼續運作 (如果可行)。如此一來，在電路運作期間，若發生非嚴重異常時也可撥打緊急通話。

此外，這些進階的 IPD 開關可避免電路中斷。如果因老化而增加機械負載，導致電流消耗位準提高，就會發生此情況。無需透過 MCU 就可達到獨立操作，因此可減少此功能所需的元件數量，同時更增強可靠性 (圖 2)。

圖 2：使用標準 IPD 開關時，關斷是唯一選項。但是，ROHM 的 IPD 開關既支援湧入電流保護，也支援湧入保護後的穩態操作。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

保險絲還有另一個考量因素。標準保險絲若具有明確定義的操作邊限，在系統或模組啟動階段中有較高湧入電流時，就可避免引起意外中斷 (圖 3，頂部)。但是，這種緩衝或「遮蔽」會干擾必要的極限設定。

相較之下，ROHM 的 IPD 開關可以避免湧入電流，並且無需遮蔽。(圖 3 底部)。

圖 3：傳統的熱熔絲具有模糊區域，可遮蔽並阻止因湧入電流引起的意外啟動 (上圖)；ROHM 的 IPD 開關則採用更複雜的閾值和限制 (下圖)。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

如此一來，在穩態運作期間，即使是微小的電流異常也能達到高精度的偵測。同時，由於仍可向負載模組提供最小電流，而非在發生異常後立即關閉運作，因此系統 MCU 仍可嘗試存取模組進行預防性維護，同時在運作過程中偵測異常。

著眼大局

使用具有多種保護元件和功能輔助的功率裝置有其必要，但仍不足以達到有效的電軌管理，尤其是在嚴峻的汽車環境中。在過電流情況下需具備額外的保護和靈活性。

結論

在設計中維持簡單性是值得追求的目標，但在現實考量和細微差異下，在實務上添加一些複雜性通常還是比較謹慎且更好的作法。利用 ROHM 的 AECQ-100 系列 IPD 開關，就可用更少的元件獲得固態功率裝置的可靠性、靈活性和優勢，同時還可達到保險絲無法提供的洞察力和保護。

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培訓課程／教學：智慧型功率裝置 (IPD) 開關

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