高边驱动芯片过流和过温保护：垂直单晶工艺的独特贡献

在汽车电子领域，高边驱动芯片作为负载控制各类负载开关的关键器件，具备诸多重要的保护和诊断功能，其中过温和过流保护尤为重要。当前，整车上出现的高边失效甚至芯片烧毁等情况，大多是由于高边驱动芯片的保护策略和能力与实际应用不匹配所致。本文将结合易冲半导体的高边 CPSQ54xx 系列产品，深入剖析垂直单晶工艺对高边驱动芯片过温过流保护的重要作用，期望能为广大汽车电子设计工程师在方案设计时提供有价值的参考。

市场上的高边驱动芯片最早主要来自两家国际半导体公司，其保护策略分别采用有限次 pulse 和无限次 pulse 的设计，国内厂商也大多遵循相同或类似的思路。接下来，我们重点探讨垂直单晶工艺在其中的影响和作用。

无论是采用何种策略对芯片的过流过温工况进行保护，其核心目标都是在流经高边驱动芯片的 MOSFET 上的电流将芯片烧损之前，及时关断 MOSFET。因此，能否有效保护芯片主要取决于三个关键因素：一是芯片自身所能承受的能量总量是否足够强大；二是短路电路在检测到过流工况后，能否在能量累积到芯片能力边界之前及时关断；三是关断时的能量耗散边界有多大。下面，我们将从易冲半导体的高边驱动芯片 CPSQ54xx 系列产品特性出发，分别探讨垂直单晶工艺在过温过流发生前、发生时和发生后三个阶段，对芯片过温过流保护的具体影响。

垂直单晶工艺对保护动作发生前累积能量及耗散能力的影响

为确保高边驱动芯片在短路测试中能够安全运行，一种常见的思路是将过流保护阈值设置得尽可能低。然而，过低的过流保护阈值会严重影响一些对 inrush 电流有较高要求的应用场景，例如卤素灯应用以及各种输入端带有大电容的负载模块。因此，在现有的保护策略基础上，提高电流保护点是更为理想的选择。在开关速度一致（电流上升速度近似）以及过流保护点相近的情况下，保护发生前，相同阻抗的高边驱动芯片上累积的能量也大致相同。芯片在能量累积的同时也在进行散热，合封产品的 MOSFET 和控制晶圆通常通过 bonding 线连接，其散热面积主要取决于 MOSFET 自身。而单晶工艺的电路晶圆只有一个，即使在都加入 RDL 的情况下，合封产品的散热面积仍明显小于单晶。以易冲半导体的双通道 8 毫欧高边驱动芯片 CPSQ54D08 为例，该产品在单晶设计的基础上，采用了垂直工艺设计整个电路，使得在相同面积下的 MOSFET 阻抗更小，能量累积更低。此外，更强的散热能力不仅在过流保护中发挥重要作用，还对芯片允许的额定工作电流产生显著影响。

图1

垂直单晶工艺对保护动作发生时芯片反应速度的影响

在保障芯片自身的能量累积 - 耗散能力的同时，一旦检测到保护信号，过温和过流信息需要能够迅速传递到控制电路，并由控制电路做出反馈，及时关断 MOSFET。

从图 1 中可以看出，多晶合封产品的控制电路（中间深色的晶圆）和 MOSFET（上下两个浅灰色的晶圆）之间通过打线传输信号，这些信号包括 MOSFET 上检测到的过流过热信号以及控制电路发出的开关管控制信号。尽管电信号的传递速度很快，但保护过程中相对过温信号的传递速度对芯片的保护至关重要。由于温度信息在通过打线传输的过程中会面临耗散和迟滞问题，过温保护中的一点点延迟都可能导致 MOSFET 烧毁。因此，许多合封产品的方案只能选择降低相对过温和过流的保护点，但这会牺牲芯片带动容性负载和卤素灯的能力。

易冲半导体的 CPSQ54xx系列高边全系的过流点都接近于对应导通阻抗范围的BTS70xx系列，主要原因就是二者都为单晶工艺，过温过流保护速度相对迅速，可以在过温过流发生时即刻关断MOSFET。

垂直单晶工艺对保护动作发生后承受关断能量的影响

当短路发生时，OUT 引脚和 GND 之间可能存在不同的电感，芯片输出迅速关断的过程中，电感两侧可能由于电流的快速变化产生感应电压，进而在芯片 OUT 引脚形成一个很大的负压，VCC 和 VOUT 之间的电压差一般会达到 35V 以上。因此，各家高边芯片都设置了 VdsClamp 功能来钳位这个电压。Vds 电压和输出电流决定了关断能量。由于芯片能够承受的关断能量存在极限，因此在不同电感下允许关断的电流也不同，电感越小，允许的关断电流就越大。最终，芯片的承受能力与不同工艺下 MOSFET 本身的能力密切相关。CPS54D08 的关断钳位波形如图 2 所示。

图2

垂直单晶工艺在避免误保护风险中的作用

在确保保护功能能够可靠地保护芯片并满足各种应用场景的基础上，还需要关注保护功能的误触发问题。特别是在一些要求较高的车规 EMC 测试环境下，PTI（手持发射机抗扰度）、RI（辐射抗扰度）、CI（瞬态传导抗干扰）等各种外加干扰会对芯片的正常工作构成挑战。如果在干扰过程中保护动作误触发，必然会导致功能短暂或长期失效。从图 1 中可以看出，易冲半导体的 CPSQ54xx 高边系列产品由于采用垂直单晶工艺，避免了在晶圆外部传输敏感信号，天生对 EMC 中的各种干扰具有良好的屏蔽作用。图 3 和图 4 分别来自 CPSQ54D08 的 CI 和 RI 测试摸底报告，测试环境均为额定电流负载测试。

图3

图4

各种复杂的车上应用环境对高边驱动芯片的过温过流保护能力提出了更高的要求。这不仅需要芯片设计出合理的保护策略，还需要具备强大的工艺来扩大自身器件的 SOA 范围。易冲半导体的 CPSQ54xx 高边系列产品，全系采用垂直工艺的垂直单晶设计，已经达到了进口产品的同等水平，为各类客户的国产化推进奠定了坚实的基础。