【摘" 要】文章針對(duì)芯片緊缺為零部件生產(chǎn)帶來(lái)的壓力，設(shè)計(jì)一種具有打嗝模式輸出的高邊開(kāi)關(guān)分立元件電路以應(yīng)對(duì)高邊開(kāi)關(guān)供應(yīng)緊缺的情況。從設(shè)計(jì)需求出發(fā)，分析硬件電路、原理，并設(shè)計(jì)出具有打嗝模式輸出的高邊開(kāi)關(guān)電路。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該電路可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)管的能力和調(diào)整限流電阻的大小來(lái)提高帶負(fù)載的能力。該電路可應(yīng)用于各類(lèi)不需要對(duì)負(fù)載監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合，且具有更佳成本的優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】高邊開(kāi)關(guān)；打嗝模式；分立元件

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）03-0070-03

A High Side Switch with Hiccup Mode Output Discrete Component Circuit Design Scheme

【Abstract】Aiming at the pressure brought by chip shortage to parts production， a high side switch discrete component circuit with hiccup mode output is designed to cope with the shortage of high side switch supply. Based on the design requirements， the hardware circuit and principle are analyzed， and a high-side switching circuit with hiccup mode output is designed. It has been proved that the circuit can improve the capacity of carrying load according to the ability of the drive tube and adjust the size of the current limiting resistance. The circuit can be applied to all kinds of occasions without load monitoring， and has the advantage of better cost.

【Key words】high edge switch；hiccup mode；discrete component

0" 前言

2019年底開(kāi)始的芯片緊缺席卷國(guó)內(nèi)的汽車(chē)電子整個(gè)行業(yè)，上到各大主機(jī)廠，下至各零部件供應(yīng)商，芯片的緊缺一時(shí)鬧得人心惶惶。芯片工廠供應(yīng)的限制、中間流通環(huán)節(jié)居奇囤積，價(jià)格紛紛上漲，為零部件生產(chǎn)制造造成了極大的壓力。為此，奮戰(zhàn)在應(yīng)用電子一線的技術(shù)人員各顯神通應(yīng)對(duì)這一場(chǎng)芯片危機(jī)。筆者也是其中的一員，為解決高邊開(kāi)關(guān)供應(yīng)緊缺的情況，具有打嗝模式輸出的高邊開(kāi)關(guān)分立元件電路在這種背景下被設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1" 高邊開(kāi)關(guān)思考

1.1" 集成式的高邊開(kāi)關(guān)

以BTT6010-1ERB集成化高邊開(kāi)關(guān)為例，如圖1所示，其電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：①以NMOS作為驅(qū)動(dòng)輸出；②有一個(gè)電荷泵；③過(guò)載保護(hù)（短路保護(hù)）；④過(guò)溫保護(hù)；⑤拋負(fù)載保護(hù)；⑥過(guò)壓保護(hù)；⑦邏輯驅(qū)動(dòng)及ESD保護(hù)；⑧負(fù)載檢測(cè)（負(fù)載電流檢測(cè)及開(kāi)路檢測(cè)）；⑨防電源反接。

采用NMOS作為功率驅(qū)動(dòng)控制，需要實(shí)現(xiàn)高側(cè)驅(qū)動(dòng)，電路中需要有一個(gè)電荷泵，以提高NMOS的G極驅(qū)動(dòng)電位，使VGS電壓高于NMOS的開(kāi)通閾值，NMOS開(kāi)通。

1.2" 分立元件高邊開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)思考

作為分立元件的高邊開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，具有較大的設(shè)計(jì)靈活性，是集成電路無(wú)法比擬的。為保證分立元件的高邊開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的實(shí)用性，高邊開(kāi)關(guān)應(yīng)要盡量簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)，具有合適的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力、較高的應(yīng)用可靠性。具有打嗝模式輸出的高邊開(kāi)關(guān)電路，僅需要自身硬件保護(hù)，因此過(guò)溫保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、專(zhuān)用邏輯和ESD保護(hù)、負(fù)載檢測(cè)電路這類(lèi)在具有打嗝模式輸出分立元件高邊開(kāi)關(guān)中不再考慮，僅需在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇適合參數(shù)的元器件，滿足電路的應(yīng)用，具體設(shè)計(jì)如下。

1）驅(qū)動(dòng)器件設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，高邊驅(qū)動(dòng)管可以選擇PNP三極管、PMOS管。較小電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，使用PNP三極管；較大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，選擇PMOS管應(yīng)用。使用P型半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)管，在滿足驅(qū)動(dòng)能力的情況下，可節(jié)省電荷泵，使電路大幅簡(jiǎn)化。

2）短路/過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)。作為高邊開(kāi)關(guān)，首先要考慮到的是要具備短路保護(hù)的能力，這是硬性的要求；還要有過(guò)載保護(hù)能力，在電路工作過(guò)程中，負(fù)載電流未達(dá)到短路保護(hù)情況下，電路超負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)使驅(qū)動(dòng)管的結(jié)溫急劇上升，溫度超過(guò)驅(qū)動(dòng)管承受極限，最終損壞。

3）過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)。分立元件電路設(shè)計(jì)，可以根據(jù)系統(tǒng)中電壓高低，選擇合適耐壓的半導(dǎo)體器件，使得電路設(shè)計(jì)中過(guò)壓保護(hù)顯得不那么重要。

4）拋負(fù)載保護(hù)設(shè)計(jì)。關(guān)于拋負(fù)載保護(hù)電路，在小電流應(yīng)用中時(shí)，使用二極管消磁電路，能很簡(jiǎn)單地把問(wèn)題解決；若需要大電流應(yīng)用（超過(guò)3A）時(shí)，消磁電路稍微復(fù)雜一點(diǎn)，因驅(qū)動(dòng)電路中不能串聯(lián)無(wú)限制大的二極管，故消磁電路必須使用具有防反接的消磁電路，以滿足電路的防電源反接的性能要求，大電流的消磁電路在此暫不詳述。

5）防電源反接保護(hù)設(shè)計(jì)。小于3A的防電源反接保護(hù)電路設(shè)計(jì)，可以直接使用二極管來(lái)做防電源反接電路；在大電流應(yīng)用中需要使用MOS管防反接電路，以減少二極管電路能量消耗和解決大功率二極管選型困難問(wèn)題。

基于上述分析，具有打嗝模式輸出的高邊開(kāi)關(guān)電路系統(tǒng)可以按圖2設(shè)計(jì)。

2" 硬件設(shè)計(jì)與分析

2.1" 硬件電路

根據(jù)圖2設(shè)計(jì)出具有打嗝模式的高邊電路，如圖3所示。

2.2" 原理分析

2.2.1" 單元電路分析

1）輸入電源。Vbat為高邊開(kāi)關(guān)電源輸入。

2）防電源反接。利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，由D1二極管實(shí)現(xiàn)電源防反接功能。

3）采樣電阻。電阻R2串聯(lián)到驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)中，電阻R2兩端的電壓值變化反映了驅(qū)動(dòng)電路的輸出負(fù)載情況。

4）檢測(cè)電路。PNP型三極管Q1與R2配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路中負(fù)載電流大小的檢測(cè)。Q1的發(fā)射極和基極分別接到采樣電阻兩端，當(dāng)R2兩端的電壓降達(dá)到三極管的導(dǎo)通電壓（0.6～0.7V）時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，起到檢測(cè)負(fù)載電流的作用。通過(guò)調(diào)整R2的大小，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整高邊開(kāi)關(guān)過(guò)載保護(hù)的限值。

5）打嗝保護(hù)。由二極管D2、電容C1、電阻R3、R4、NMOS管Q2組成，其中D2起到單向?qū)ㄗ饔茫闺娙軨1的電荷不能通過(guò)充電電路放電；C1、R3、R4組成放電回路，對(duì)電容C1上的電荷放電；Q2組成旁路電路，將高邊開(kāi)關(guān)輸入控制旁路，起到關(guān)閉高邊開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)輸入的目的，以實(shí)現(xiàn)輸入保護(hù)。在該電路中Q2選擇NMOS，主要因?yàn)镹MOS導(dǎo)通電壓小，保護(hù)時(shí)能可靠地把輸入電壓下拉到底；如果采用三極管，三極管導(dǎo)通時(shí)有較高的管壓降（0.3V左右），保護(hù)時(shí)不能完全把輸入電壓下拉到底，致使Q4不能完全截止，驅(qū)動(dòng)不能完全關(guān)閉，不能達(dá)到保護(hù)的目的。

6）輸入電路。由電阻R1、R5、R7組成，為Q4提供輸入驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)與打嗝保護(hù)電路配合，旁路輸入信號(hào)達(dá)到保護(hù)的效果。

7）控制電路。由電阻R6、R8、Q4組成，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)管PMOS Q3的VGS電壓，達(dá)到控制開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)的目的。

8）驅(qū)動(dòng)電路。由穩(wěn)壓二極管D3、PMOS Q3組成，PMOS主要實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)，D3用于對(duì)PMOS的源-柵電壓限制作用，避免PMOS因源-柵電壓過(guò)高而損壞。驅(qū)動(dòng)管PMOS在小電流場(chǎng)合也可以使用三極管。

9）假性負(fù)載。R9主要是消除PMOS管在關(guān)閉期間的虛浮電壓，提供負(fù)載儲(chǔ)能的放電回路，并與D4二極管組成負(fù)載消磁網(wǎng)絡(luò)。

10）消磁電路。D4主要用于對(duì)感性負(fù)載的拋負(fù)載消磁。假性負(fù)載在電路中除了作為高邊開(kāi)關(guān)的負(fù)載外，同時(shí)也兼具了消磁電路的責(zé)任。

2.2.2" 高邊開(kāi)關(guān)工作過(guò)程

根據(jù)上述電路和各單元的介紹，具有打嗝模式輸出的高邊開(kāi)關(guān)電路的工作原理如下。

1）正常情況，高邊開(kāi)關(guān)打開(kāi)（圖4）。

2）負(fù)載過(guò)載（短路），保護(hù)過(guò)程（圖5）。

3）保護(hù)維持過(guò)程（圖6）。

4）保護(hù)釋放過(guò)程（圖7）。

5）正常情況，高邊開(kāi)關(guān)關(guān)閉（圖8）。

通過(guò)以上高邊開(kāi)關(guān)運(yùn)行過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)高邊開(kāi)關(guān)的普通開(kāi)關(guān)過(guò)程。當(dāng)負(fù)載端過(guò)載或短路時(shí)，高邊開(kāi)關(guān)運(yùn)行2）～4）的打嗝模式，將開(kāi)關(guān)電路保護(hù)起來(lái)，以免開(kāi)關(guān)電路因負(fù)載過(guò)載或短路原因，造成電路損壞。

從上述過(guò)程的相應(yīng)公式，通過(guò)調(diào)整RC常數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)打嗝周期調(diào)整，使驅(qū)動(dòng)管能更好地實(shí)現(xiàn)散熱，得到更好的保護(hù)作用。

2.3" 模擬運(yùn)行效果

運(yùn)行RC參數(shù)：R3=0Ω、25kΩ、50kΩ、75kΩ、100kΩ；R4=100kΩ，C1=1μF；運(yùn)行電壓Vbat=24V。運(yùn)行狀態(tài)為負(fù)載過(guò)載。模擬過(guò)載打嗝輸出效果見(jiàn)圖9。

通過(guò)模擬運(yùn)行，可以看到當(dāng)R4不變，調(diào)整R3的大小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)打嗝周期的調(diào)整。電路中R4也可以影響RC放電時(shí)間常數(shù)，但R4作為Q2的柵極下拉電阻，調(diào)節(jié)R4，會(huì)影響到Q2柵極的電位向下偏移。在電路中R4的阻值設(shè)計(jì)最好不能小于R3。當(dāng)然也可以根據(jù)MOS管Q2的VGS電壓需求，調(diào)整R4小于R3使電路得到運(yùn)行，這樣就要特別小心計(jì)算設(shè)計(jì)。

3" 結(jié)論

具有打嗝模式輸出的高邊開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)初衷是用來(lái)驅(qū)動(dòng)1A左右的電流的負(fù)載。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和實(shí)踐，該電路可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)管的能力和調(diào)整限流電阻的大小來(lái)提高帶負(fù)載的能力。該電路可應(yīng)用于各類(lèi)不需要對(duì)負(fù)載監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合，根據(jù)電路實(shí)際情況，在得到較大功率功出的驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，可以獲得較優(yōu)的硬件成本。因電路是分立元件設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)缺陷也是非常明顯的，如占用更多的PCB布局空間，更多潛在的失效點(diǎn)等。