HSD硬件设计指南

硬件设计指南

VIPower高边驱动器

MO-5+M0-5Enhanced

Rev.3.0,September2009

PeterBRAUSCHKE

M0-5高边驱动器硬件设计指南

版本历史

版本日期作者变更

1.02006年8月LudekBeran,

文档创建

PeterBrauschke

1.12006年8月LudekBeran,

胞力n多帝士四

PeterBrauschke

微小调整

2.02007年8月LudekBeran,2.2.2章增加混合式HSDs的电源反接保护；

PeterBrauschke2.4章增加：M0-5Enhanced产品介绍；

3章增加：模拟电流检测；

微小调整

3.02009年9月LudekBeran,3.7.3章增加：K系数校正方法；

PeterBrauschke,5章增加：开关感性负载；

JochenBarthel,6章增加：为灯泡负载选择HSD；

MassimoLeone,7章增加I：HSD的并联使用；

BenedettoRubino8章增加：ESD保护：

9章增加：可靠性设计;

微小调整

2

力

M0-5高边驱动器硬件设计指南

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

2.一般性说明.........................................................................7

2.1.应用原理图（整体数字式，整体和混合模拟式HSD）.........................................................7

2.2.电源反接保护.................................................................9

2.2.1.整体式HSD的电源反接保护..............................................9

.用电阻进行电源反接保护.................................................9

.

.用MOSFET进行电源反接保护............................................12

2.2.2.混合式HSD的电源反接保护.............................................14

2.3.微控制器保护................................................................15

2.4.

2.4.1.新特性简介..............................................................16

2.4.2.输出关闭时的空载/输出对电源短路......................................17

2.4.3.功率极限指示............................................................18

2.4.4.功率极限指示-模拟驱动器的例子......................................18

2.4.5.功率极限指示-数字驱动器的例子......................................19

2.4.6.M0-5Enhanced：：模拟电流检测真值表....................................20

2.4.7.高级功率极限指示.......................................................21

3.模拟电流检测......................................................................22

3.1.介绍.........................................................................22

3.2.等效简化的工作原理.........................................................23

3.3.正常工作（（输出通道打开，，CS_DIS为懒电邮）...............................23

3.4.过热指示（（输出通道打开，，CS_DIS）.................................26

3.5.电流检测的ESD和尖峰电压保护..............................................26

3.6.电流检测电阻计算...........................................................27

3.7.不同负载配置下的诊断.......................................................27

3.7.1.并联负载的诊断.........................................................27

3.7.2.对不同负载的兼容诊断..................................................28

3.7.3.K系数的校正方法........................................................29

3.8.模拟电流检测诊断............................................................31

3.9.M0-5HSD加外围电路........................................................34

输出关闭时的空载检测

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

输出关闭时的空载检测

4.数字状态的输出....................................................................35

4.1.数字HSD诊断...............................................................35

5.开关感性负载......................................................................37

3

力

M0-5高边驱动器硬件设计指南

5.1.打开瞬间的情况..............................................................37

5.2.关闭瞬间的情况..............................................................38

5.2.1.计算HSD的能耗........................................................39

5.2.2.计算举例................................................................40

5.3.选择合适的HSD..............................................................................................................42

5.3.1.

5.4.外部钳位电路选择...........................................................46

5.4.1.钳位电路举例...........................................................47

5.4.2.电路1见前面章节））的器件选择指南.................................51

）（见前面章节

5.4.3.（VN5E025AJ+DC,外部钳位））.....................................................................55

举例马达

6.为灯负载选择高边驱动器...........................................................65

7.HSD的并联........................................................................71

7.1.CS_DIS（电飒W搬冲）和IN（（输入））的并联....................................71

7.1.1.用不同的电源网络供电的整体式HSD并联.................................71

7.1.2.用不同电源网络供电的混合式HSD并联.................................73

7.1.3.整体式与混合式HSD并联使用......................................74

7.2.CS电流盗则））pin的并联.................................................75

（

7.2.1.用不同电源网络供电的整体式HSD并联..................................75

7.2.2.用不同电源网络供电的混合式HSD并联..................................77

7.2.3.用不同电源网络供电的整体式与混合式器件并联..........................78

7.3.输出并联....................................................................80

7.3.1.整体式HSDs.............................................................................................................80

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

7.3.3.整体式HSD与混合式HSD并联...........................................80

8.ESD保护...........................................................................81

8.1.HSD的ESDW--计算........................................................81

8.2.ESDECU圈布线考虑））................................................85

保护-

9.可靠性设计........................................................................86

9.1.HSD和继电器放在同一块PCB板时的设计建议.................................86

4

M0-5高边驱动器硬件设计指南

5

力

M0-5高边驱动器硬件设计指南

1.

述

这份文档的目的是使工程师能够更好地理解VIPower高边开关的工作原理，并使设计

省时省钱。

现在VIPower高边开关推出了第五代智能功率驱动器（内部型号为：M0-5）.最新一

代的驱动器在以前的设计经验基础上，具有更可靠的性能、更多的功能、更密集的封装并

且价格更低。

相对于很多其他逻辑IC来说，现代高边驱动器（HSD）的复杂程度还是相当低的。但

是要在不稳定的汽车电源系统和恶劣环境温度下将数字逻辑功能与模拟功率结构结合起来

则是一个很大的挑战。

M0-5器件满足了上面的所有要求。它具有极高的性能、可靠性和最优的性价比。

6

BiMO-5高边驱动器硬件设计指南

2.

般性说明

2.1..、聚体和混合模拟式式HSD）3H

应礴理图（（整体数字式\'batswitched

”△ii

C!=

IOOnF5OV

嚎

(OpttomlScvNoce?)

衽■

OUTPUT〉

牛

GND

C3

"rIO&FIOOV

GND

Fig.i:MonolithicDigitalHSD-Applicationschematic

图1：整体式数字HSD应用原理图

Notel:如果不需要禁止状态端口，ST_DISpin应该悬空或者通过10k的电阻接地。直接接地是不安全

的（ISO脉冲通过ST_DISpin钳位会对器件造成损坏）。

Note2：上拉电骐R5是可选的（用于输出关闭时的空载检测）。

Note3：IN^ST_DISpin不需要外接下拉电阻，因为有内部下拉。

iOOnF

!»

(OpoooAlfotMG-SEfifaaxcd.

冬-SwNot*5)

令

3，dVTTCE，

号

!0tf100V

图2：整体式模拟HSD-应用原理图

7

/M-

Fig.3:HybridAnalogueHSD-Applicationschematic

图3：混合式模拟HSD-应用原理图

Note4：如果不需要禁止电流检测功能，CS-DISpin应该悬空或者通过10k电阻接地。直接接地是不安

全的（ISO脉冲通过ST_DISpin钳位会对器件造成损坏）。

ISO脉冲参考ISO7637-2：2004（E）

Note5：上拉电阻R5是可选的（用于M0・5Enhanced输出关闭时的空载检测）。

8

M0-5高边驱动器硬件设计指南

2.2.

2.2.1,整体式HSD的电源反接保护

电源反接保护电路接入到驱动器的接地端。有3种方案：电阻，电阻十二极管，场效应管。通过芯

片接地端的电流较小，不需要大功率器件。然而该保护电路须能承受ISO脉冲的电流和电压冲击。该简

单的接地电路不能对所连接的负载进行保护。电源反接时，反向电压会通过HSD内部的反向二极管加在

负载上，这时HSD的功耗是非常关键的（取决于负载大小和HSD的散热）。内部二极管的典型压降为

0.7V,因此HSD的功耗=0.71LOAD[W].

.用电阻进行电源反接保护

vdd

+

13V

Fig.4:Voltagelevelsduringrexenebatten,-resistorpmection

图4：电源反接时各点电压■电阻式保护电路

地线上的电阻Rgnd防止了电源反接时HSD内部二极管的短路。最小电阻值取决于HSD地端的反向

直流电流限制。最大电阻值取决于HSD工作时最大自身电流Is在电阻上产生的压降，该电阻的压降提

高了最小的高电平输入门槛值，通常该压降不应该超过1V（取决于微控制器的I/O口电平）。

（1）%即4产一（2）RG版?丁——0）品=#

该电阻可以被多个不同的HSD共用。这种情况下，公式（1）中的ls（on）max等于多个HSD的

ls（on）max之和。当微控制器与HSD不共地时，Rgnd的压降就会使输入门槛值产生电压偏移（IS（on）max

*RGNDJ如果是数字式HSD,在其状态输出端也会有同样的电压偏移。电压偏移量会根据处于工作的

HSD的数量而不同。这种情况下要满足公式（1）的话，Rgnd必须很小，这时又可能满足不了公式（2）。

为了解决这个问题，ST建议使用二极管或者场效应管的方案（下面章节将会讨论）。

9

M0-5高边驱动器硬件设计指南

1)定义MND电平偏移量最大值

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

图5：逻辑电平校验表1：参数值

最大可接受的地电平偏移量是指在不影响HSD与微控制器之间通讯的前提下Rgnd电压降的最大值。

STATUS信号电平校验：

如表1所示，微控制器会认为低于VIL=0.3VDD=0.3*5=1.5V的输入电平为低电平。HSD

STATUSpin低电平输出的最大值为0.5V。因此安全的地电平偏移量最大值为1.5V-0.5V=1V。

输入佶号电平校验：

如表1所示，微控制器的高电平输出(4.3V)完全高于HSD高电平输入的门槛值(2.1V)。10k串联电

阻上的压降相对较小：RPROT*IIH=10k*100=0.1V。因此电压偏移的安全余量为：

4.3V-0.1V-2.1V=2.1V。

结果：

Rgnd上可接受的最大电压降为1V。为了安全起见，我们选择VGND=0.8V来进行后面的计算。

2)计算电阻值:

G66.6X2

3H4

=>RGXD=22012

V14p一rs

>/OUJ

'GKD200m.-I

3)校验电源反接时的功耗=)选择电阻的封装:

:*一】4片

=0.89Jr=>Package=2512

凡即220a

(Powerratuig(®70℃of2512is1W)

Note6：只有一个电阻串联在地端时无法对电源线上的ISO脉冲进行钳位。正ISO脉冲(>50V)和负ISO

脉冲会通过地端传送到逻辑端口。因此微控制器与HSD之间要串联保护电阻，电阻值可以根据微控制器

I/O口的最大注入电流极限值进行计算。

10

Si

MO-5高边驱动器硬件设计指南

2.2.1.2.用二极管++

vdd

[>E廿

>W-

飒

Fig.6:Voltagelevelsduringreversebattery'-diode+resistorprotection

图6：电源反接时各点电压・二极管+电阻式保护电路

地端串联的二极管防止了电源反接时通过内部二极管短路情况的出现。如果驱动感性负载，应该并

联一个电阻（1k0805封装）到该二极管上（用于削减感性负载断开时所产生的反向电压尖峰）。该保

护电路可为几个HSD共用，它也会在输入门槛电压和STATUS输出电压上产生约600mV的偏移量。该偏

移量不会因为共用的HSD个数而不同。地端二极管允许fSD对50V以上的正ISO脉冲进行钳位（HSD的

钳位电压）。负的ISO脉冲仍然可以通过地端和逻辑端口。*地二极管应该能够承受正ISO脉冲的钳位

电流和负ISO脉冲反向电压冲击。

二极管的选型:

图7：正ISO脉冲

我们所考虑的最强烈的正ISO脉冲是testpulse2其参数为：IV（50V@50防该脉冲叠加在标

称电源电压13.5V上，因此总电压为63.5VoVIPower典型的钳位电压为46V（最小41V/最大52V）。在

典型希什的情况卜，剩氽电压为~63.5V-46V-0.7V=16.8V□ISO~Iff2ohms因此

可以计算得到通过接地二极管的峰值电流为8.4A,持续时间为50小。

11

M0-5高边驱动器硬件设计指南

图8：负ISO脉冲

我们所考虑的最强烈的负ISO脉冲是testpulse1,其参数为：IV（-100V@2ms。）这个脉冲直接传到

GNDpin。因此二极管上的反向峰值电压至少为100V。

注意：如果脉冲电压超过反向电压极限，二极管会工作在雪崩状态。

结果:

最大正向峰值电流为：8.4A@50疹;

最大反向峰值电压为：-100V。

Note7：如上述解释，串联二极管保护电路的HSD不能对电源线上的负ISO脉冲进行钳位。因此应该在

微控制器与HSD之间串联合适的保护电阻。电阻值根据所用的微控制器的I/O口最大注入电流极限值进

行计算。

Note8：如果采用外部钳位电路（例如用带保护电路的电源对HSD供电），则可以选择参数较低的二极

管。

2.2.1.3.用MOSFET

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

图9：电源反接时各点电压-MOSFET式保护电路

MOSFET式保护电路会在电源反接时关断，其能够对电源线上的正负ISO脉冲进行钳位，并且不会

产生地电平偏移。接在门极与源极之间的电容能使门极即使在负ISO脉冲其间都能保持充电。由RC值

决定的时间常数应该大于2ms（ISO7637pulse1的持续时间）。

12

区iM0-5高边驱动器硬件设计指南

表2：电源反接保护电路比较（整体式HSD）

13

）”MO-5高边驱动器硬件设计指南

2.2.2.混合式HSD的电源反接保护

与整体式器件相反，所有的混合式VIPowerHSD都不需要任何外部保护电路进行电源反接保护。

因为这些器件有内部保护电路（见图10的"ReverseBat.Prot.”模块）。

而且，即使在电源反接的情况下输出MOSFE也是打开的，提供了与正常工作时同样的低阻通道，

不需要额外考虑电源反接时的功耗问题。

如果在混合式HSD的地端串联二极管，其输出MOSFET就不能在电源反接时打开，也就不能发挥该

器件的独特优势。

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

图10：混合式HSD-通过MOSFET自动打开进行电源反接保护

■*

后

"昌

i

lOof100V[s

GNDCXDGND

Exupplr-Selfywikh^hufMOSFETeliniiiiaieilbyD^rnl

图11：举例-MOSFET的自动打开功能被Dgnd禁止

14

力

M0-5高边驱动器硬件设计指南

2.3.

Fig12.ISOpuhenan^eftcPOpin

图12：ISO脉冲传到I/O口

如果发生ISO脉冲或者电源反接的情况，HSD控制端会通过其内部结构和地端保护电路被拉到•个

危险电平（见电源反接章节）。因此每一个接到HSD的微控制器端口都要串联一个电阻以限制注入电流。

译ROT的值必须足够大，以致能够保证注入电流低于微控制器I/O口的闩锁电流极限。我们也要考虑

R>ROT上的压降，因为HSD需要的输入电流典型值为10gRPROT必须满足下面的条件：

ioor,口，4.3r-(2.ir+ir)

：(田+

PEAKDwIOH-IIGNDExample:10/z.4

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

5狂24号的4120包2

推荐的R^ROT值为10k欧（对大多数的汽车微控制器来说是安全值）。

15

）・M0-5高边驱动器硬件设计指南

2.4.

在已有的M0-5驱动器基础上，STMicroelectronics推出了一-种新产品，叫做MO-5Enhancedo正

如其名，MO-5Enhanced是基于M0-5的技术，但具有一些更加高级的技术，M0-5Enhanced系列新特性是

为了改进对负载的处理，还有对过载的诊断能力。

接下来的章节会对这些特性进行详细的解释。

241

?改进了模拟电流检测器件的诊断功能：

关闭状态（off-state）的开路/对Vbat短路的指示。

?兼容变化范围更大的负载：

最优化的电流限制范围

?更快速地检测过载和对地短路：

功率极限指示

模拟器件：将CS端拉到VSENSEH电平（如TSD）

数字器件：将STATUS端拉低（如TSD）

16

EiMO-5高边驱动器硬件设计指南

2.4.2.

?现在在模拟M0-5EnhancedHSD上也具有该功能（该功能已经在数字HSD上实施）；

?通过外部上拉电阻进行输出关闭时的空载检测：

?可通过断开可选上拉电阻来区分空载与对电源短路。

Fig.13:Openload/shorttoVcccondition

PullupCS

OpenYesVseiibeHl

loadNo0

ShortYesVsenseH

toVccNoWcnscH

NoininYes0

a!No0

Fig.14'loadroVccTabi。37CSpmtnnff^rafp

图14：空载/对Vcc短路情况表3：输出关闭时CS端电平

17

M0-5高边驱动器硬件设计指南

2.4.3.功率极限

原理：

?当达到功率极限时诊断马上响应，不用等到过热关闭（在数字和模拟HSD的情况相同）；

?能够区分空载和过载情况：

?对周期性负载（例如转向灯或者PWM驱动的负载）的短路/过载情况能够进行快速安全的诊断;

?对周期性短路的检测。

2.4.4.功率极限指示・

图15：M0-5“软”对地短路图16：M0-5“硬”对地短路

Bimr1uwawr1»mwmwf■iw

।fii]

Fig18M0-5Enhanced-Hard''^horrroGND

图17：M0-5Enhanced“软”对地短路图18：M0-5Enhanced“硬”对地短路

18

MO-5高边驱动器硬件设计指南

2.4.5.功率极限

图19：M0-5“软”对地短路图20：M0-5“硬”对地短路

Slion(0GND

▼"Sihrls<\WkiesTOicaiai

0HSSuuiirGiR/

2〃也"cbo〃is(rggcrcd

Fig2/-"&中’RND

图21：M0-5Enhanced“软”对地短路图22：M0-5Enhanced“硬”对地短路

19

miMO-5高边驱动器硬件设计指南

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：模拟器件-真值表（关闭状态）

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：模拟器件-真值表（打开状态）

过热、过载、对地短路可以与空载状态进行区分，不需要在关闭状态进行检测，不需要可以切换的

上拉电阻。

可以在没有外围器件的情况下实现细节的诊断功能。