TPS1HC08-Q1：汽車級單通道智能高邊開關的卓越之選

在汽車電子領域，對于高邊開關的性能和可靠性要求極高。TPS1HC08-Q1作為一款單通道智能高邊開關，專為12V汽車電池系統設計，集成了NMOS功率FET和電荷泵，具備豐富的特性和強大的功能，能滿足多種應用場景的需求。

文件下載：tps1hc08-q1.pdf

一、產品特性亮點

1. 全面診斷與控制

• 單通道智能開關：具備完整的診斷功能，可通過GPIO引腳進行控制，還提供開漏狀態輸出和電流感測模擬輸出，在電流≥2A時，感測精度<±5%，能實現對負載的智能控制和精確監測。
• 寬工作電壓范圍：工作電壓范圍為3V至28V，可適應不同的汽車電氣環境，具有較強的通用性。

2. 低電阻與低功耗

• 低導通電阻：典型導通電阻為9.8mΩ，在150°C時最大為16.5mΩ，能有效降低器件的功耗，提高能源利用效率。
• 超低待機電流：在85°C時，待機電流<1.4μA，有助于降低系統的整體功耗。

3. 可調電流限制與保護

• 可調電流限制：電流限制范圍為10A至25A，可通過ILIM引腳的外部電阻進行調節，還提供有熱調節和無熱調節兩種模式，能有效應對不同負載的需求，提高系統的可靠性。
• 多重保護功能：具備過載和短路保護、欠壓鎖定（UVLO）、熱關斷及自恢復、集成輸出鉗位以消磁感性負載、接地丟失、電池丟失和反接電池保護等功能，全方位保障系統的安全穩定運行。

4. 汽車級認證與小尺寸封裝

• 汽車應用認證：符合AEC - Q100標準，環境溫度范圍為 - 40°C至125°C，通過了電氣瞬態干擾抗擾度測試（ISO7637 - 2和ISO16750 - 2），可滿足汽車電子的嚴格要求。
• 小尺寸封裝：采用11引腳可焊側翼VQFN - HR封裝，尺寸為2.2mm x 3.6mm，間距為0.55mm，能有效節省PCB空間。

二、應用場景廣泛

TPS1HC08-Q1可用于多種汽車電子系統中，如區域控制模塊、車身控制模塊、白熾燈和LED照明、前門模塊、座椅加熱器等。其出色的性能和保護功能，能為這些應用提供可靠的電源開關解決方案。

三、詳細技術剖析

1. 精確的電流感測

• TPS1HC08-Q1采用電流鏡技術，將負載電流的1/KSNS引出到SNS引腳與地之間的外部電阻上，并轉換為電壓輸出。KSNS是輸出電流與感測電流的比值，在生產過程中進行了內部校準，用戶無需進行后期校準。
• 在選擇感測電阻RSNS時，需根據系統的需求和ADC的可接受電壓范圍進行計算。當無外部齊納二極管或電阻分壓器連接在SNS引腳時，可使用公式(frac{left(V{A D C, min } × K{S N S}right)}{I{L O A D, min }} leq R{S N S} leq frac{V{A D C, max }}{I{S N S F H}})計算；當有外部齊納二極管或電阻分壓器連接時，可使用公式(frac{left(V{A D C, min } × K{S N S}right)}{I{L O A D, min }} leq R{S N S} leq frac{left(left(V{A D C, max }-V{H R}right) × K{S N S}right)}{I{L O A D, max }})計算。

2. 過流保護機制

• 可調電流限制：可通過ILIM引腳的外部電阻調節電流限制。當ILIM引腳接地時，最大電流限制為25A，無熱調節；當ILIM引腳開路時，最小電流限制為10A，有熱調節。熱調節功能通過監測MOSFET和控制器的相對溫度，自動調整電流限制，避免FET過熱，適用于啟動時為大電容充電的場景。
• 熱關斷保護：包括相對熱關斷（(T{J, FET}-T{J, CONTROLLER}>T{REL})）和絕對熱關斷（(T{J, FET}>T_{ABS})）兩種情況。當發生熱關斷故障時，開關將關閉，以保護器件和系統。
• 重試保護機制：當發生熱關斷時，器件會根據負載電流和過流事件的持續時間，采取不同的重試保護策略。對于負載電流低于電流限制的情況，器件會進入無限熱關斷重試循環，直到故障恢復；對于負載電流高于電流限制的情況，器件會進入有限重試循環階段，根據不同的時間窗口進行重試，最多重試6次，若仍不成功則進入鎖存關閉狀態。

3. 感性負載關斷鉗位

當切換感性負載時，感性電抗會使輸出電壓變為負值，可能導致功率FET擊穿。為保護功率FET，TPS1HC08-Q1在漏極和源極之間集成了鉗位電路(V_{DS(clamp)})。在退磁期間，功率FET會導通以耗散電感能量，總能量包括電源能量和負載能量。對于PWM控制的感性負載，建議添加外部續流電路，以保護器件免受重復功率應力的影響。

4. 慢上升/下降斜率選項

對于汽車座椅加熱器應用，TPS1HC08-Q1提供了慢上升/下降斜率的版本（D、B），可將PWM電流的10% - 90%上升和下降時間控制在80A/msec以下，有助于減少車輛電氣系統中的電磁干擾。

5. 容性負載充電

• 可調電流限制控制浪涌電流：通過選擇合適的ILIM引腳外部電阻值，可精確控制容性負載充電時的浪涌電流，保護上游電源，減少PCB走線寬度和連接器尺寸要求，降低電源軌上的電壓降。
• 帶熱調節的電流限制：當在ILIM引腳連接外部電阻時，可實現熱調節的電流限制。通過負反饋機制，根據功率FET和控制器的相對溫度動態調整電流限制，擴大了可安全充電的容性負載范圍，消除了手動脈沖開關的需求，防止熱失控。
• 熱關斷重試行為：對于大容性負載，器件可能觸發熱關斷故障并進入重試流程。重試保護機制可使負載通過多次重試可靠開啟，對于大多數尺寸合適的容性負載，熱調節可防止達到熱關斷條件，實現平滑的容性充電。
• 直流負載對容性充電能力的影響：當同一通道上同時存在容性負載和直流負載時，直流負載會消耗器件的熱預算，降低容性充電能力，加速熱關斷的發生。在設計時，可選擇更保守的(R_{LIM})值，提供足夠的PCB銅面積進行散熱，或考慮為直流和容性負載使用單獨的通道。

6. 燈泡充電

• 非熱調節模式：對于具有高浪涌電流的燈泡負載，可將ILIM引腳直接接地，啟用非熱調節電流限制模式，該模式可保持25A的固定電流限制，不受溫度影響，能滿足燈泡初始的高電流需求。
• 熱管理：對于高瓦數燈泡負載、低溫啟動或高VBB電壓等情況，器件采用相對熱關斷和絕對熱關斷保護機制。相對熱關斷時，當FET溫度快速上升導致(T{J, FET}-T{J, CONTROLLER}>T_{REL})，開關將自動關閉，并在tRETRYINT內自動恢復；絕對熱關斷時，當FET溫度超過(T{ABS})，開關將關閉，并在溫度下降后在(t_{RETRY_EXT})內自動恢復，繼續為燈泡充電。

7. 故障檢測與報告

• 診斷使能功能：通過DIAG_EN引腳可啟用或禁用診斷功能。當使用多個器件且微控制器的ADC資源有限時，可通過GPIO設置DIAG_EN引腳，僅啟用一個器件的診斷功能，同時將其他器件的診斷功能禁用。此外，將DIAG_EN和EN引腳設置為低電平，可使器件的功耗降至最低。
• FLT報告：在EN引腳為高電平的激活狀態下，無論DIAG_EN狀態如何，FLT引腳均可用于監測器件的故障狀態。當器件發生故障時，FLT引腳將被拉低至地，需要一個3.3V或5V的外部上拉電阻來匹配微控制器的電源電平。
• 故障表：詳細列出了不同故障條件下FLT和SNS引腳的響應，包括正常狀態、過流、熱關斷、開路負載、短路到電池等故障情況，以及相應的恢復機制，如自動重試或鎖存。

8. 全診斷功能

• 開路負載檢測：在通道開啟且DIAG_EN為高電平時，可通過外部ADC利用器件的高精度電流感測功能檢測開路負載，但FLT引腳不報告檢測結果，需用戶或系統自行判斷。在通道關閉且DIAGEN為高電平時，若存在開路負載，輸出電壓接近電源電壓(VBB - V{OUT}{OL})，FLT引腳將拉低以指示故障，SNS引腳輸出(I{SNSFH})故障電流。器件還實現了內部上拉電阻(R_{PU})以抵消輸出泄漏電流，避免誤檢測。
• 短路到電池檢測：短路到電池檢測與開路負載檢測具有相同的檢測機制和行為，具體可參考故障表中的詳細信息。
• 反極性和電池保護：當發生反極性（即設備接地端連接到電池電位，電源引腳接地）時，如果EN引腳有接地路徑，FET將導通以降低主通道的功耗，防止電流通過體二極管流動。需要注意的是，為了使設備在反極性事件中得到保護，必須存在電阻/二極管接地網絡（如果電源上沒有中央阻斷二極管），并且在設備與微控制器的邏輯引腳接口中需要考慮這種接地電位的偏移。

9. 完整保護功能

• UVLO保護：器件會監測電源電壓VBB，當VBB降至(V{UVLOF})時，器件將關閉；當VBB升至(V{UVLOR})時，器件將開啟，以防止VBB過低時出現不可預測的行為。
• 接地丟失保護：當發生接地丟失時，無論使能信號是高電平還是低電平，輸出都將關閉。包括設備接地丟失和模塊接地丟失兩種情況，在這兩種情況下，保護機制均會生效。
• 電源丟失保護：當發生電源丟失時，無論輸入是高電平還是低電平，輸出都將關閉。對于電阻性或電容性負載，由于沒有更多的電源，實現電源丟失保護相對容易；但對于帶電的感性負載，情況較為復雜，建議使用MCU串聯電阻加GND網絡（二極管和電阻并聯）或外部續流電路。
• 反向電流保護：有兩種反向電流保護方法。一種是在VBB上連接阻斷二極管，可同時保護器件和負載在反極性時不受損壞；另一種是采用GND網絡保護，僅保護高邊器件，負載的反向電流受到負載阻抗的限制。在反向電池條件下，FET必須導通以降低功耗。對于感性負載，建議使用電阻與二極管并聯的方式，以防止在感性負載關斷時出現負尖峰損壞器件或二極管。同時，需要注意選擇合適的接地電阻和二極管，以滿足系統的要求。
• 保護MCU I/O引腳：在許多情況下，如負ISO脈沖或帶感性負載的電池丟失，器件GND引腳的負電位可能會損壞MCU的I/O引腳。因此，需要在MCU和HSS之間使用串聯電阻進行保護。對于防止接地丟失的情況，建議使用10kΩ的(R_{PROT})電阻。

10. 器件功能模式

TPS1HC08-Q1具有多種工作狀態，根據EN引腳、DIAG_EN引腳和VBB電壓的不同組合進行轉換。

• OFF狀態：當器件的VBB電壓低于(V_{UVLOF})時，器件處于關閉狀態。
• SLEEP狀態：當從待機狀態進入，EN引腳被拉低超過tSTBY時間且VBB低于(V_{HVF})時，器件進入睡眠狀態。在睡眠狀態下，輸出關閉，器件內部所有模塊均關閉，流入VBB的電流為(I{SLEEP})。從睡眠狀態，器件可以通過將EN引腳拉高進入激活狀態，將DIAGEN引腳拉高（不包含EN引腳）進入診斷狀態，或當VBB大于(V{HV_R})時進入待機狀態。
• STANDBY狀態：當EN引腳為低電平時，器件進入待機狀態。輸出關閉，DIAGEN引腳也為低電平，但尚未達到tSTBY時間。此狀態的存在是為了使器件輸出能夠使用PWM進行調制，而不會切斷任何內部電源軌并進入睡眠狀態。如果等待時間超過tSTBY且VBB小于(V{HV_F})，器件將完全關閉并轉換為睡眠狀態；如果時間小于tSTBY且EN引腳變為高電平，器件將轉換為激活狀態；如果DIAG_EN引腳變為高電平，器件將轉換為診斷狀態。
• DIAGNOSTIC狀態：當EN引腳為低電平且DIAGEN引腳為高電平時，器件進入診斷狀態。在該狀態下，可以診斷開路負載或短路到電池的故障。當出現開路負載或短路到電池故障時，器件將通過FLT引腳發出信號，SNS引腳輸出(I{SNSFH})電流。
• ACTIVE狀態：當通過拉高EN引腳使輸出開啟時，器件進入激活狀態。在激活狀態下，電流限制值由ILIM引腳的外部電阻設置。如果在激活狀態下將DIAG_EN引腳拉高，SNS引腳將輸出與負載電流成比例的電流，同時FLT引腳將報告任何通道上是否發生故障。當關閉所有通道且DIAG_EN為高電平時，器件將轉換為診斷狀態；當關閉所有通道且DIAG_EN為低電平時，器件將轉換為待機狀態。
• FAULT狀態：當EN引腳為高電平，但某些事件導致器件的運行與正常操作不同時，器件進入故障狀態。這些故障事件包括絕對熱關斷、相對熱關斷、電流限制、開路負載和短路到電池故障等。每種故障事件都會直接或最終關閉FET，以保護器件和系統。

四、應用與實施要點

1. 典型應用設計

在典型應用中，需要合理選擇外部電路元件。例如，選擇SMBJ39CA的TVS用于過濾來自電池的電壓瞬變（ISO7637 - 2），220nF的(C{VBB})用于改善EMI性能，100nF的(C{IC})用于減少輸入的電容以減輕EMI等。同時，要根據具體需求計算(R{SNS})和(R{LIM})的值。(R{SNS})的計算可根據是否有外部元件連接在SNS引腳，分別使用不同的公式；(R{LIM})的值可根據公式(R{LIM}=K{CL} / I_{CL})進行選擇。

2. EMC瞬態干擾測試

由于汽車環境中的電氣條件較為惡劣，高邊功率開關需要具備抗電氣瞬態干擾的能力。TPS1HC08-Q1的測試需符合ISO 7637 - 2:2011和ISO 16750 - 2:2010標準，測試包括不同脈沖的嚴重程度級別、脈沖持續時間、最小脈沖數量或測試時間、突發周期脈沖重復時間、輸入電阻等參數，測試結果需達到狀態II，即測試期間功能可能不符合設計要求，但測試后能自動恢復正常運行。

3. 瞬態熱性能

TPS1HC08-Q1在某些情況下會經歷瞬態大電流，如高電容或燈泡負載充電時的浪涌電流、輸出短路到地等故障情況觸發過流保護、短暫激勵感性負載等。在這些瞬態情況下，熱阻抗參數(Z_{OA})表示結到環境的熱性能。通過模擬可以得到在自然對流條件下使用FR4 2s2p板的EVM的熱阻抗曲線，有助于了解器件在瞬態情況下的熱行為。

4. 布局指南

為實現良好的熱性能，建議將VBB焊盤連接到大面積銅箔，在PCB頂層銅箔可超出封裝尺寸，同時在一個或多個內部PCB層和/或底層設置VBB平面，并通過過孔連接這些平面到頂層VBB銅箔。將VOUT焊盤連接到電路板上的大面積銅箔也有助于散熱。IO信號應通過過孔路由到內部PCB層，以減少干擾。(C{IC})電容應盡可能靠近器件的VBB和GND引腳，(C{VBB})電容應靠近VBB引腳并連接到系統地。(R_{LIM})組件應靠近器件的ILIM和GND引腳。FLT和SNS引腳的走線應分開，避免信號耦合。

五、總結

TPS1HC08-Q1作為一款高性能的汽車級單通道智能高邊開關，憑借其豐富的特性、強大的保護功能和廣泛的應用場景，為汽車電子系統的設計提供了可靠的解決方案。在實際應用中，工程師需根據具體需求合理選擇參數和元件，遵循布局指南，以充分