什么是 IPD？

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

MOSFET 和 IPD 的區(qū)別

當(dāng)提到半導(dǎo)體開關(guān)時，通常就會想到 MOSFET。IPD 的基本功能是開關(guān)，內(nèi)部結(jié)構(gòu) (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 (這里稱為“智能功能”)。例如從下圖 (圖1) 的產(chǎn)品框圖來看，紅色部分相當(dāng)于 Power Device 的 MOSFET，黃色部分相當(dāng)于 Intelligent 的附加功能，下文介紹它的附加功能和優(yōu)點。

圖1 產(chǎn)品框圖示例

IPD 的附加功能和優(yōu)點

不同產(chǎn)品的附加功能各不相同，但一般包括以下內(nèi)容：過熱保護(hù)、過壓保護(hù)、過載保護(hù)、電流檢測、診斷功能、反極性保護(hù)、拋負(fù)載保護(hù)和電池、負(fù)載和接地斷開連接檢測。以下將簡要介紹提供這些附加功能的原因以及優(yōu)勢。例如 IPD 具有過流和過熱保護(hù)電路：如果僅使用 MOSFET 作為開關(guān)，當(dāng)電路中的負(fù)載發(fā)生短路時，MOSFET 本身也將產(chǎn)生故障，但 IPD 中的過流和過熱保護(hù)電路可使其在短路等異常情況下，也可以繼續(xù)作為開關(guān)工作而不會斷路。

機(jī)械保險絲可以通過熔化來阻止過大電流的流動，因此經(jīng)常需要物理更換才能恢復(fù)，所以 IPD 被用來代替機(jī)械保險絲。當(dāng)使用 IPD 作為半導(dǎo)體保險絲時，它可以檢測過大電流等異常情況，及時中斷，并將異常情況通知微控制器，以使其在固定的時間恢復(fù)，這樣就無需對部件進(jìn)行物理更換。另一個經(jīng)常與 IPD 產(chǎn)生聯(lián)系的是機(jī)械繼電器。繼電器是通過外部信號進(jìn)行開關(guān)的元件，由于其開關(guān)采用機(jī)械觸點，因此會產(chǎn)生機(jī)械噪聲。

除此之外，機(jī)械接觸點存在耐用性和可靠性方面的問題。而 IPD 是半導(dǎo)體，因此不存在機(jī)械耐久性問題，而且噪音低、體積小，并且還具有機(jī)械繼電器所不具備的保護(hù)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(jī)械保險絲、機(jī)械繼電器和 IPD 進(jìn)行比較時，由于 IPD是半導(dǎo)體，因此其成本和設(shè)計工時高于機(jī)械元件，但它有助于在有限的 ECU 面積內(nèi)節(jié)省空間，并能通過各種附加功能確保高可靠性。

表1 機(jī)械保險絲、機(jī)械繼電器和 IPD 功能對比

IPD 的用途和主要應(yīng)用

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



圖2 4 通道產(chǎn)品的示例

英飛凌車載 IPD 的功能

高質(zhì)量、故障率極低

診斷功能可反饋負(fù)載驅(qū)動狀態(tài)

快速開關(guān)/轉(zhuǎn)換速率而不影響 EMC

近 30 年的 IPD 銷售和技術(shù)開發(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(qū)動到超低導(dǎo)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，通過將 1 通道和 2 通道產(chǎn)品封裝在同一個小封裝中，那么即使在設(shè)計過程中通道數(shù)量增加，也能實現(xiàn)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(cè)開關(guān) PROFET 除具有保護(hù)功能外，還具有診斷功能。該診斷功能不僅能反饋負(fù)載輸出端的異常情況，還能通過電流檢測反饋流經(jīng)負(fù)載的電流大小。下圖 (圖5) 為高壓側(cè)開關(guān)數(shù)據(jù)表中的參考電路，其中 IS 引腳向微控制器的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC) 發(fā)送信號以提供反饋。IS 引腳端根據(jù)負(fù)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(cè)開關(guān)數(shù)據(jù)表的參考電路

①正常運(yùn)行時 (無異常)

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

②當(dāng)過熱保護(hù)和過載保護(hù)被激活時

Is=IIS (FAULT)。當(dāng)過熱保護(hù)或過載保護(hù)檢測到異常時，如果繼續(xù)按原樣運(yùn)行可能會導(dǎo)致 IC 毀損，此時需要關(guān)閉輸出，并輸出高于情況①中的 Is=IIS (FAULT)，如下圖 (圖5) 所示。此外在其他開載情況下，當(dāng)輸出接通或斷開時，Is 端子會輸出相應(yīng)的反饋電流。

圖6 過熱保護(hù)和過載保護(hù)被激活時的情況

總結(jié)

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

審核編輯：劉清