高边驱动芯片：老产品焕发新活力

鸣涧

高边驱动芯片：老产品焕发新活力

在电源管理芯片中，有一个分支叫做驱动芯片。顾名思义，驱动芯片是用于放大控制电路的信号，使其能够驱动功率晶体管的中间电路。根据最终驱动的负载不同，驱动芯片主要分为电机驱动，显示驱动，照明驱动，音圈马达驱动，音频功放驱动等（如下图）。其中市场应用占比最高的是电机驱动芯片（约47%），其次是显示驱动芯片（约22%），照明驱动芯片排第三（约14%）。

我们知道常用功率器件（如Mosfet、IGBT等）结构一般分为栅极、源极和漏极、它的导通原理是：给栅极（G极）施加足够的电压，源极和漏极之间的PNP结导通，达到到开关闭合，电流通过的效果。驱动芯片的本质就是给栅极施加足够的电压，因此大多数驱动芯片都是栅极驱动芯片。由于功率器件有许多应用场景，各场景所需电压和电流范围差异极大，所对应的栅极驱动芯片也各不相同，根据栅极驱动芯片的电路拓扑结构不同，栅驱动芯片可以分为低边，高边、半桥、全桥和三相芯片，复杂程度依次升高，各类型的栅极驱动芯片对比如下：

为更好的理解栅极驱动芯片，下面以一个典型的电机驱动芯片拓扑图举例说明（如下图），电机的运转受主控芯片（MCU）控制，然而MCU输出的电源一般是3.3V或者5V，电流只有几毫安，如此小的电压和电流传导到功率器件上，无法驱动功率器件开通和关断，一般功率器件的开通电压在15V以上，因此需要在主控芯片和功率器件中间加一颗驱动芯片，起高低压隔离和增大驱动能力的作用，在三大核心器件共同作用下，给BLDC电机提供高压、大电流的驱动信号，产生 U、V、W三相控制电压，使BLDC电机按照控制指令 工作。

在上述例子中，为更好的控制电机，功率器件并不是单个的Mos管，一般是桥式结构，以全桥电路举例，如下图所示，电机的负载在四个Mos管的中间，当Q1和Q4导通时，电机正转，当Q2和Q3导通时，电机反转，简单的开关只能控制电机正反转，引入PWM控制可以实现方向和速度调节。下述拓扑图很像一个字母H，因此也叫H桥，如果只有左边的Q1和Q2，就叫半桥。Q1位于电源和负载之间的开关，也叫高边开关，Q2位于负载和地之间，叫做低边开关。

低边开关的驱动很简单，低边开关本身就是一个普通的NMOS，源端接地，只要栅极电压比Vth高就能开通。但是高边开关不一样，高边开关在电源和负载之间（正常使用PMOS，实际因为成本等原因仍然使用NMOS），打开之后源极和漏极电压是相等的，并且等于电源电压，因此驱动电压要比供电电压还高，需要用电容设置一个自举电路，自举电容不断充放电，才能保证高边开关持续导通。下图中绿色圆圈为高边开关，如图所示的绿色箭头为自举电容放电时，高边开关导通的情景。

高边开关已经诞生了十几年，此前由于市场规模不大，一直由ST、英飞凌、TI等海外巨头占据，国产栅极驱动芯片大多集中在半桥驱动，少有涉及高边驱动。但是新能源车的崛起改变了这一趋势，我们知道，汽车中存在着许多的开关电子，去控制汽车的各种灯、阀、泵、风扇以及各种风机，有需要的时候就打开，不用的时候就关掉，根据负载的情况还要在过流过载的情况下能监控和保护。传统汽车大多采用继电器作为开关去控制，搭配保险丝做保护。继电器作为机械开关，寿命短、易损坏、易发热、功耗高、EMC差，而且体积大，但优点是便宜。传统汽车的继电器是一个个大黑盒子装在配电盒里，一辆车大概1-2个配电盒，纯电气性质，没有电子元件，不可编程，一旦设计完成，不可更改，如果坏了就需要拆开来换，非常麻烦，传统配电盒及其原理如下图：

直到2016年特斯拉在推出的新的Modes3，在车身域中采用了大量HSD（High side driver，高边驱动）芯片替代了继电器和保险丝，车辆可靠性提高，可编程，能更好实现软件定义汽车，这种革命性的创新使得高边驱动的应用前景一下子广阔了起来（就像过去特斯拉引爆碳化硅市场一样）。其实在灯光类负载等小电流负载控制方面，高边开关（单芯片集成驱动+Mos+电流检测+热保护+电压保护+EMC+各种诊断）早已在10年前开始普及，但是高边开关成本较高（一般大电流高边产品是继电器方案的2倍以上），技术还在完善中，因此车载大电流负载控制仍在使用继电器方案。特斯拉的FBCM中使用了约50颗低阻抗大电流的Mos用于电源分配，小电流采用了英飞凌的HSD芯片，下图为NXP预测的乘用车配电技术发展趋势：

随着近年国产汽车（尤其是新能源汽车发展越来越猛），高边开关的应用也越来越广，据统计，高边驱动芯片目前平均每辆传统燃油车需求为35颗，新能源车平均每辆需求为75颗，2023年中国汽车销量为3000万辆，按平均每颗1.2元人民币计算，对应市场潜在规模为15-20亿。数据显示，2022年国外巨头在国内大概有6.5亿销售额，高边驱动渗透率不足50%，未来随着渗透率的持续提升，高边驱动蛋糕预计将不断增大。

在高边驱动的市场里，英飞凌是当之无愧的老大，产品型号最全、系列最多，涵盖了乘用车12V和商用车24V，产品在市场的应用最广泛；ST作为老牌车载芯片厂家，在市场上属于老二；NXP的HSD产品线来自飞思卡尔，产品线也很全；其次是TI，从2014年开始逐渐推出HSD产品，多应用于12V乘用车；最后是安森美，HSD型号相对略少，主要集中在小电流。

高边驱动作为一块肥肉，为什么国内厂商进展缓慢，国产化率不足1%呢，主要难点在于工艺制造，HSD和车规Mos搭配使用，甚至直接把Mos集成在里面，因此有车规Mos基础的海外大厂本身基础就比国内厂商好；其次海外功率大厂大多采取IDM模式，自己的工厂打磨出了独特的工艺，如英飞凌和ST，使用BCD和VDMOS工艺，推出2通道20毫欧，2通道30毫欧，甚至单通道2毫欧、单通道1.2毫欧的产品，在市场上遥遥领先。

国内厂商普遍在推出的是高Rdson的小电流产品，围绕80毫欧以上，推出4通道、2通道、甚至是1通道的产品，应用在小灯的开关，小电源配电上，产品比较零散，不成体系，并且小电流产品在车上用得不多，市场空间不大，因此国内厂商在高边驱动这块一直没成气候。目前发布了高边驱动产品的公司包括类比半导体（单通道6.5-80毫欧，双通道15-80毫欧）、明芯微、稳先微（单通道10-140毫欧、双通道25-140毫欧、四通道50-140毫欧）、帝奥微（4通道120毫欧）、瓴芯微（四通道160毫欧），此外，还有一大批创业公司正摩拳擦掌，在高边驱动的赛道跃跃欲试