集成智能功率器件，通常还包含多种集成的诊断和保护功能。在发生故障时，这些功能使连接的控制单元能够做出适当的反应，并保护Kaiyun应用，从而保护人员。

　　在Kaiyun运行过程中，它们经常暴露在恶劣的环境条件下，例如高工作温度、机械应力等。同时可能会发生不同的电磁干扰（EMI），这可能会影响其正常功能。

　　自从四十多年前在车辆中引入第一个电子控制单元（ECU）以来，它们的数量成倍增加。汽车从完全机械向日益电动主导的汽车发展的趋势是不可阻挡的。因此，现代车辆拥有多达150个电子控制单元并包含十几个或更多处理器来控制和调节汽车的功能也就不足为奇了。

　　此类电子系统的范围从发动机管理、变速箱控制和内部娱乐系统等应用到安全相关系统（如制动或安全气囊展开控制）。

　　智能电子系统帮助我们保持与前方车辆的距离，自动将车辆停放在停车位，或在交通中出现危险情况时警告我们。

　　这样做的先决条件是各种控制单元正常运行，并且其功能不受EMI等因素的影响。确保这一点不仅对其电磁兼容性（EMC）提出了非常高的要求，而且对其功能安全性提出了很高的要求。

　　系统和采用的电子元件的设计方式必须能够在很短的时间内检测和处理关键错误，以最大程度地降低危险情况和故障的风险。

　　2012年，由于安全气囊问题，克莱斯勒被迫召回车辆，因为乘员约束控制（ORC）模块的瞬态电尖峰导致安全气囊意外触发。2013年初也存在类似的安全气囊问题，因为由于安全气囊控制单元（ACU）中的ASIC存在EMC问题，丰田不得不召回超过15万辆卡罗拉系列汽车。

　　近代历史上最著名的召回可能是丰田召回了来自世界各地的约9万辆汽车，因为车辆在2009-11年间发生了意外加速。除了官方承认的地垫问题外，与电子油门控制系统缺陷相关的问题也被确定为无法控制的加速的根本原因，使驾驶员和乘客面临巨大风险，并导致37例确诊死亡。

　　这些示例性案例表明，EMC是汽车设计中一个具有挑战性且普遍存在的问题，IC、ECU和汽车制造商应该对此非常感兴趣，因为由于召回和昂贵的产品重新设计，缺乏足够的EMC验证可能会产生毁灭性的财务影响。此外，如果没有充分的EMC验证，人类将面临受伤甚至死亡的风险。

　　因此，当今的电子系统必须在存在EMI的情况下提供最高的可靠性和稳健的操作。特别是拥有先进控制系统的自动驾驶车辆必须可靠地解释感官信息，以识别适当和安全的导航路径。

　　大多数EMC标准仅规定了ECU在EMC测试期间在其正常工作条件下必须如何运行，而不一定处理被测设备（DUT）处于故障状态（例如温度过大）时的EMC行为。

　　关于温度，这是一个重要的通用测试参数，EMC标准通常要求在测试期间将环境温度保持在23∘C+/−+/−5∘C 。

　　由于ECU一旦安装在车辆中，最终可能会暴露在很宽的温度范围下，因此EMC行为会出现漂移，因此应在功能安全和EMC考虑中加以考虑。

　　汽车应用中苛刻的环境条件可能会导致汽车ECU使用寿命期间的功能故障。高压侧开关的输出线可能会断裂，并导致机箱负载电流短路。在这种情况下，高短路电流可能会使智能电源开关容易进入过温状态，从而从正常工作模式更改为故障状态模式。

　　通常在智能功率器件的情况下，其集成的诊断和保护功能应保护器件免受热破坏，因为器件会自动关闭并将过温故障信号传递给控制器单元。与汽车行业一样，需要尽可能高的可靠性，在温度过高的情况下进行正确的温度测量是降低设备损坏和车辆火灾风险的最重要功能之一。

　　智能功率器件是继微控制器之后的ECU中最常用的IC。最突出的智能功率器件之一是智能电源开关，它包括一个功率半导体晶体管，该晶体管与其他功能单元合并以增加其功能。

　　包括各种控制和诊断功能，如过载保护、过压和欠压关机和自动重启、电流限制、短路保护、热关断等等，如今正与电力电子设备一起在一个微芯片中实现。图给出了典型代表性智能功率高边开关的框图。

　　智能电源开关通常用于汽车应用，例如配电（继电器和保险丝更换）、照明（汽车前灯和背光、灯泡/LED、内饰等）、车辆加热系统（座椅、辅助设备、电热塞等）或与电机控制相关的应用（直流有刷电机、泵、风扇等），通常使用两种基本的开关拓扑，低边和高边开关。

　　它们在开关的相对位置上有所不同，在高端开关的情况下，它们直接将负载连接到电源，而对于低边开关，负载通过开关连接到公共接地电位。

　　在汽车应用中，车辆底盘通常充当公共接地参考，很容易发生故障情况，例如由于机械应力导致电缆隔离磨损而导致的接地短路。

　　在这种情况下，当高电流和大型电缆线束需要针对短路故障的安全性和鲁棒性时，高边开关通常是合适的选择。这也是本文选择汽车智能电源高边开关进行研究的原因。

　　高边开关最早实现的集成保护功能之一是过温关断。放置在功率晶体管顶部的附加控制器芯片用于在功率晶体管过热时箝位栅极电压。如今，特殊的温度传感器内置在智能功率器件的适当位置，例如在功率晶体管电池阵列的中心，以及监控芯片温度的小电路。

　　这种电路能够精确测量温度，但通常缺乏抗干扰的鲁棒性。特别是应提供温度稳定基准电压的带隙电路很容易受到EMI的干扰，导致基准电压不稳定。为了分析智能功率高边开关EMI下过温监测的行为，研究了来自不同IC制造商的几种商用汽车器件。

　　一个代表性器件是单通道高边驱动器，专为大电流应用而设计，通过12 V和3 V CMOS兼容接口驱动5 V汽车接地负载。N沟道功率MOSFET级的实际结温可由多路复用模拟检测输出引脚提供，该引脚提供与所选内部诊断成比例的电流，在本例中为芯片温度。该输出用于监控EMI注入期间的诊断功能。

　　为了表征智能功率高隐藏开关温度监控和电磁干扰下过温关断行为的敏感性，采用了所谓的直接功率注入（DPI）方法。这种测量技术在IC级IEC 62132-4标准中定义，基于将频率范围为150 kHz至1 GHz的传导干扰注入被测IC的引脚。

　　通常使用连续波、调幅或脉冲调制信号来表征IC的抗扰度。这些信号通过一个简单的耦合电容（例如6.8 nF）耦合到IC的特定引脚中。

　　通用IC EMC测试规范”为汽车应用提供了额外的特殊要求，将DUT的引脚分为两个不同的引脚组；例如“全局引脚”，它携带进入或离开应用板的信号或电源，中间没有任何有源组件，以及“本地引脚”，携带不离开应用板的信号或电源。

　　在所研究的智能电源高边开关中，仅使用全局引脚（如电源引脚）和输出引脚来注入干扰信号。这些引脚通常直接连接到汽车线束，并且由于线束充当电磁干扰的接收天线，因此可以沿着电缆线束传导到IC的引脚。

　　需要注意的是，每个频率和幅度步长的功率电平应保持足够长的时间，以使被测IC对干扰信号做出反应。为了执行此类测试，需要符合中指定的PCB设计要求的专门设计的EMC测试板。

　　根据中定义的用于测试高边开关的附加要求，宽带人工网络由5μH 线μHΩΩ除了中定义的基本测试配置外，所有全局引脚还添加了用于阻抗固定的匹配网络。

　　输出引脚连接到代表性负载，以确保高端开关在其标称负载电流范围内工作。高端开关应在拨动模式下进行测试，它以IC数据手册中规定的典型频率和开关时间打开和关闭。

　　开关信号的占空比应设置为50%。开关也可以在永久开启和/或关闭状态下进行测试。

　　为了研究过温监测的EMI性能，通过使用特殊的PCB对流加热器逐渐提高DUT的温度，直到其结温达到超过温度范围并触发相应的诊断指示。

　　下图显示了基于DPI测试方法的一些代表性智能高边开关抗扰度特性。在 1 MHz 至 1 GHz 的频率范围内显示首次违反定义的监控标准时施加的最大正向功率（以 dBm 为单位）。

　　施加的干扰信号设置为继续波（CW）模式，并注入IC的输出引脚。值得一提的是，在EMC测试期间没有使用额外的保护电路或滤波电容器。根据IC数据表中制造商的建议，仅使用推荐的外部器件。

　　执行的第一个调查基于以下问题：在EMI下，通过读取智能电源高边开关的检测输出引脚上的相应检测信号，连接的控制器单元是否仍然能够正确检测过热情况。

　　对于此测量，将干扰信号注入高压侧开关的输出引脚，并且监控标准是通过检测输出端的电压正确指示过温。在很宽的频率范围内，DPI特性远低于所需的30至37 dBm汽车正向功率水平。特别是在2.2 MHz的注入频率下，监控DUT的控制单元将无法再正确检测过温条件所需的干扰信号约为13 dBm。

　　接下来的调查是基于智能电源高端开关在EMI下是否会保持过温关断模式的问题。对于此测试，我们使用了与以前相同的测试配置和设置，只是更改了被测IC的监控。

　　在这种情况下，设备的温度再次升高到超温以上，此时开关通常在没有任何DPI的情况下自动关闭。干扰信号的幅度逐步增加，直到由于DPI信号的干扰而无意中打开开关。

　　在注入频率为 2.5 MHz 且干扰信号的正向功率电平约为 13 dBm 时，智能高边开关会离开其过温关断状态，并在过温条件下再次开启！特别是这种情况可能非常安全，因为如果开关打开，由于负载电流的流动，已经超温的设备温度可能会进一步升高。

　　电力电子系统在当今的现代车辆中无处不在。它们几乎可以在所有电子系统中找到，例如防抱死制动、安全气囊和发动机管理。由于其内部诊断和保护功能，智能功率高边开关越来越多地用于此类系统，以取代机械开关、继电器或保险丝。因此，这些设备必须可靠地诊断过温、短路或负载损失等故障情况，并且必须可靠地向控制器单元报告任何类型的错误。

　　未来的自动驾驶汽车将不得不极大地依赖可靠且功能安全的安全电子系统，这些系统在存在电磁干扰的情况下也能正常工作，因此应特别注意确保车辆中使用的电子系统的电磁兼容性。

　　【1】Ogunsola，A.（2008）：集成电子系统的EMC和功能安全要求。电子系统集成技术会议，ESTC 2008，2008年9月。

　　【3】Jaekel， B. W.（2007）：与EMC和功能安全相关的标准化的最新发展。在电磁兼容性国际研讨会上（第1-6页）。

　　【4】ISO 26262（2011）：道路车辆—功能安全。国际电工委员会，2011月。

　　【5】Greb， K.（2012）：功能安全和ISO 26262。在应用电力电子会议和博览会，行业会议，APEC（第9页）。

　　声明：本文由入驻搜狐公众平台的作者撰写，除搜狐官方账号外，观点仅代表作者本人，不代表搜狐立场。