| 1 引言
---最近几年，因为刮水器、天窗、门锁、车窗升降机、油门踏板、HVAC（暖风、通风及空调）、防抱死制动系统（ABS）等设备在汽车上广泛应用，汽车使用的电机的数量越来越多。
 ---这些应用中多数都使用直流电机，控制这样的电机基本上有两种方式：单极或双极（双向）驱动器。
---在单极应用中，电瓶电压只施加在电机的一个电极上;这表明控制激励器需要一个串联开关。这个开关可以是一个高侧或一个低侧开关：因为高侧开关还需要一个电荷泵，所以，低侧开关自然最容易被这种应用选中。由于这种单极拓扑属性的原因，我们只能监控电机的电流（扭力），而无法监控电机的旋转方向。
---双极驱动技术经常用于半桥拓扑（见图1），这种结构需要在电瓶和负载之间放两个开关，在负载和系统接地之间放两个开关。由于这种结构由四个不同的开关组成，允许电流双向流动，所以，负载上的电压和流过的电流的方向可以是任何一个极性的。 2 意法半导体开发的半桥器件
 ---ST开发出一个全新的用于驱动大电流DC电动机的半桥器件家族。
---这些器件采用一个创新的MultiPowerSO-30 封装(见图2)，这是一个有三个不同的裸露的导热棒的多半岛封装，尺寸为16mm×17.2mm×2mm。这个封装专门为恶劣的汽车环境设计，裸露的芯片焊点提高了封装的散热性能。而且，该封装采用全对称机械设计，从而大幅度提高了电路板的制造能力。
---该器件家族基本由以下构成：
---● 一个采用VIPower工艺制造的包含所有逻辑器件的双高侧驱动器。
---● 两个不同的采用PowerMESH技术制造的低侧开关。
---VNH2SP30 和 VNH3SP30 器件属于这个新一代半桥器件：两个器件都能预防最常见的故障，如开路或短路负载、内部结温过高、欠压/过压。在这些阶段，保护和诊断反馈电路都可以被激活，以预防可能的故障条件。输入信号直接与外部微处理器相连，可以选择电机旋转方向和制动条件，并能够监控电机电流。图3是这些器件的结构框图。
---由于直流电机是一个感应负载，所以，每个开关必需有一个防并联的续流二极管，才能在这个器件的关断阶段产生一个电流回路，以防范峰压。
 ---这些半桥器件的主要特性：
---● RDS(on):17mΩ每条引线 (高侧+低侧) [VNH2SP30]
---45mΩ每条引线 (高侧+低侧) [VNH3SP30]
---● PWM: 脉宽调制（PWM）控制整个半桥负载上的平均输出电压，这些器件的工作频率可以是：
---10kHz (VNH3SP30)和20kHz (VNH2SP30)。
---● 过流保护：30A。
---● 电流检测(仅VNH2SP30有这个功能)：一个镜像电流，与流经负载的主体电流之间存在一个K比率，用于监控电机的状态。
---● 内置逻辑电路对低侧开关上的压降Vds与一个内部恒定值进行对比，以检测VCC、地线或负载是否短路。
---● 过温：如果器件在印刷电路板上没有冷却所需的充足空间，或者当它们过负载时，器件的自身温度就会升高。只要内部结温达到150℃（下限），热保护电路就会自动关断内部器件;当内部结温降到大约15℃时，器件就会重新照常工作。
---● 过压、欠压：当输入电压超出了[5.5V,,,16V]的范围， 内部电路就会关断VNH2SP30;当输入电压超出了[5.5V,,,36V]的范围， 内部电路就会关断VNH3SP30。
---● 防交叉导通：双高侧开关内的逻辑电路可以避免两个器件的相同半桥相互导通。
---● 无击穿问题：这个保护功能与电桥结构的一个典型的动态问题有关。如图1所示，我们假设左侧对角（HS1和LS2组）处于导通状态。只要外部微处理器关断这组对角，而接通另一组对角，改变电机的旋转方向，导通状态就会从HS1-LS2 转移到HS2-LS1组。
---只要LS1一导通，就会产生一个dv/dt 。这个斜坡可能会通过高侧Cgd电容耦合起来。在这种情况下，一股与dv/dt成正比的电流经过高侧栅/源极电容，给电容器充电，并重新导通场效应MOS管。这个特性的结果是，一股电流在负载构成旁路，从电瓶流向地线，因为不受电机的限制，可能会对器件造成危害。
---VNHxSP30具有优化的栅电荷， 从而避免了这种现象的发生。
---为执行标准的正向、逆向和制动操作，外部微处理器可以强制电桥的输入信号在图4中按真值表工作(OUTA是左半桥的中点，OUTB是右半桥的中点。)
---EN信号可以启动关联的引线，IN=1状态指引线上的关联的高侧开关HS接通，而低侧开关LS关闭(当 IN=0 时，HS 关闭，LS 接通)。在所有情况下， PWM信号的一个低电平状态将会关闭两个低侧开关。
---当PWM 信号提高到一个高逻辑电平时，根据输入引线的状态，LS1或 LS2再次接通。如果出现故障条件，EN信号在内部被降低。可能的故障模式包括：
---a.电源输出短路接地（高侧开关内置过温传感器，以检测温度过度升高部分，将故障引线的EN标记强制在一个低逻辑电平状态）。
 ---b.过热(当即便没有制动条件而温度仍然提高时，内部热保护电路按上述条件工作)。
---EN信号的监测功能描述了电桥的状态，在任何情况下，当检测到故障时，故障引线就会被闭锁，只有输入信号的电平从低升到高，才能重新打开相关的输出。 3 如何在半桥拓扑中保护反向电瓶
---当给半桥器件施加一个反向极性(高于1.5V)，回扫二极管就会被施加一个正向偏压(见图4)。
---这就是说，流过电桥的大电流如果不加以限制，可能会击穿内置二极管，显然，会毁坏电源开关。为了保护这个器件，可以使用几种外部保护器件（见图5）。
   
--------------a.-------------------------b.-----------------------c.-------------------------d.
-----------------------------------------图5 4种解决方案防范电池反接的冲击 ---每个解决方案都有各自的优缺点。
---解决方案a: 熔丝 + 二极管。在电瓶反接时，电瓶电压与地线之间的二极管在内部二极管外构成一个旁路，强制反向电流通过熔丝。只要熔丝烧毁，电源就会断开。
---该方案易于实施，成本低廉，但是，每次电池反接后，就必须更换熔丝。
---解决方案b: 给电源主线串联一个肖特基二极管。当发生电源反接时，这个二极管可以防止电流经过电桥。
---该方案易于实施，成本一般，但是，因为电桥的工作电流很大，肖特基二极管可能会承受一个很大的压降。
---解决方案c: 在器件与接地信号之间放置一个小通态电阻的（RDS(on)）N沟道场效应MOS晶体管。半桥通过场效应MOS管的Vds接地：只要栅极连接电瓶，这个器件就会永远保持通态。在电瓶反接时，N沟道关断，没有电流通过半桥。为了保护场效应MOS管的栅极，防止电瓶断电脉冲的冲击，必须插入一个电阻器和一个“背对背”二极管。这个解决方案在电源上产生的压降不大，但是，只能保护一个器件。
---解决方案d: 在器件与电源之间放置一个小通态电阻的（RDS(on)）P沟道场效应MOS晶体管。半桥通过P沟道MOS管的Vds连接电源：像上个解决方案一样，在电桥正常工作时，这个场效应MOS管就会永远保持通态。在电瓶反接时，P沟道关断，没有电流通过半桥。这个解决方案使电源始终保持很小的压降，可以保护与被保护的Vcc总线相连的所有应用。这个方案的成本高于N沟道解决方案，因为在电源干线放置一个有源开关，所以需要使用一个N沟道场效应MOS晶体管。在这种情况下，驱动场效应MOS晶体管需要增加一个电荷泵。 4 使用一个全集成半桥的优点
---前文介绍一个集成控制器和四个导通电阻RDS(on)极低的开关的全集成半桥器件。这些器件是专门为需要大工作电流的“直流电机控制器”而设计的。
---这些器件提供正向、反向和制动操作模式; VNHx 器件提供欠压/过压、过流、过温、交叉导通、击穿和接地及Vcc电源损耗保护功能。
---一个新增的精彩功能与封装选择有关。如前文所述，这些创新器件采用MultiPowerSO-30 封装(见图6)。
---封装技术甚至大功率应用都在向表面组装器件方法发展，事实上，系统微型化需要封装改进芯片面积与占用电路空间的比例，并降低芯片厚度。
---此外，焊线技术也正在向金、铝和铜的混合技术发展。混合技术的运用解除了大功率应力中允许脉冲和直流的限制。
---此外，从信号和功率的角度看，在印刷电路板上大幅度减少互连线数量也是“片上系统”和“封装上系统”的优点之一。
---特别是，电源互连线数量减少可大幅度降低条状电阻产生的功耗，以及寄生效应如分布式电感。寄生效应可能会产生电磁干扰问题，而这些问题都与地线摆动/移动问题有关。
---降低芯片上互连线数量不仅简化了设计，而且还有助于降低组装成本，提高系统密度，改进整个系统的可靠性。
---与标准功率封装相比，MultiPowerSO-30具有以下优点：
---● 高侧或低侧的导热棒焊接在芯片上，在芯片与外部导热棒之间建立一个热阻很低的导热通道，以及一个能够在开关期间吸收峰值功率的大型热容。
---● 封装对称性消除了不对称表面组装器件典型的非并行焊点问题。
---● 裸露焊点改进了热性能。当导热棒放入一个7cm2 FR4内时，热阻Rthj-a 等于 26℃/W。这个出色的特性消除了今天大多数解决方案对一个大型散热器的需求，设计人员可以大幅度节省印刷电路板的空间。
---最后，VNHx器件还具有以下优点：
---● 单封装电桥解决方案
---● 节省空间，降低成本
---● 热性能优异
---● 多框架功率表面组装器件封装3个芯片（1个双高侧驱动器和2个LS场效应MOS管）。
---● 当安装在一个标准FR4并驱动一个10A直流电机时，无需外部散热器。
---● 连接外部微处理器只需一个脉宽调制端口。
---注：MultiPowerSO-30、 VIPower和 PowerMESH是意法半导体的商标
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