一種具有打嗝模式輸出的高邊開關設計方案

【摘" 要】文章針對芯片緊缺為零部件生產帶來的壓力，設計一種具有打嗝模式輸出的高邊開關分立元件電路以應對高邊開關供應緊缺的情況。從設計需求出發，分析硬件電路、原理，并設計出具有打嗝模式輸出的高邊開關電路。經過驗證，該電路可以根據驅動管的能力和調整限流電阻的大小來提高帶負載的能力。該電路可應用于各類不需要對負載監測的場合，且具有更佳成本的優勢。

【關鍵詞】高邊開關；打嗝模式；分立元件

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：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年底開始的芯片緊缺席卷國內的汽車電子整個行業，上到各大主機廠，下至各零部件供應商，芯片的緊缺一時鬧得人心惶惶。芯片工廠供應的限制、中間流通環節居奇囤積，價格紛紛上漲，為零部件生產制造造成了極大的壓力。為此，奮戰在應用電子一線的技術人員各顯神通應對這一場芯片危機。筆者也是其中的一員，為解決高邊開關供應緊缺的情況，具有打嗝模式輸出的高邊開關分立元件電路在這種背景下被設計應用。

1" 高邊開關思考

1.1" 集成式的高邊開關

以BTT6010-1ERB集成化高邊開關為例，如圖1所示，其電路結構特點為：①以NMOS作為驅動輸出；②有一個電荷泵；③過載保護（短路保護）；④過溫保護；⑤拋負載保護；⑥過壓保護；⑦邏輯驅動及ESD保護；⑧負載檢測（負載電流檢測及開路檢測）；⑨防電源反接。

采用NMOS作為功率驅動控制，需要實現高側驅動，電路中需要有一個電荷泵，以提高NMOS的G極驅動電位，使VGS電壓高于NMOS的開通閾值，NMOS開通。

1.2" 分立元件高邊開關設計思考

作為分立元件的高邊開關設計，具有較大的設計靈活性，是集成電路無法比擬的。為保證分立元件的高邊開關設計的實用性，高邊開關應要盡量簡單的電路設計，具有合適的負載驅動能力、較高的應用可靠性。具有打嗝模式輸出的高邊開關電路，僅需要自身硬件保護，因此過溫保護、過壓保護、專用邏輯和ESD保護、負載檢測電路這類在具有打嗝模式輸出分立元件高邊開關中不再考慮，僅需在設計過程中選擇適合參數的元器件，滿足電路的應用，具體設計如下。

1）驅動器件設計。根據實際應用環境，高邊驅動管可以選擇PNP三極管、PMOS管。較小電流驅動時，使用PNP三極管；較大電流驅動時，選擇PMOS管應用。使用P型半導體驅動管，在滿足驅動能力的情況下，可節省電荷泵，使電路大幅簡化。

2）短路/過載保護設計。作為高邊開關，首先要考慮到的是要具備短路保護的能力，這是硬性的要求；還要有過載保護能力，在電路工作過程中，負載電流未達到短路保護情況下，電路超負荷運行，會使驅動管的結溫急劇上升，溫度超過驅動管承受極限，最終損壞。

3）過壓保護設計。分立元件電路設計，可以根據系統中電壓高低，選擇合適耐壓的半導體器件，使得電路設計中過壓保護顯得不那么重要。

4）拋負載保護設計。關于拋負載保護電路，在小電流應用中時，使用二極管消磁電路，能很簡單地把問題解決；若需要大電流應用（超過3A）時，消磁電路稍微復雜一點，因驅動電路中不能串聯無限制大的二極管，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）防電源反接保護設計。小于3A的防電源反接保護電路設計，可以直接使用二極管來做防電源反接電路；在大電流應用中需要使用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題。

基于上述分析，具有打嗝模式輸出的高邊開關電路系統可以按圖2設計。

2" 硬件設計與分析

2.1" 硬件電路

根據圖2設計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為高邊開關電源輸入。

2）防電源反接。利用二極管的單向導電特性，由D1二極管實現電源防反接功能。

3）采樣電阻。電阻R2串聯到驅動電路當中，電阻R2兩端的電壓值變化反映了驅動電路的輸出負載情況。

4）檢測電路。PNP型三極管Q1與R2配合，實現對電路中負載電流大小的檢測。Q1的發射極和基極分別接到采樣電阻兩端，當R2兩端的電壓降達到三極管的導通電壓（0.6～0.7V）時，三極管Q1導通，起到檢測負載電流的作用。通過調整R2的大小，可以實現調整高邊開關過載保護的限值。

5）打嗝保護。由二極管D2、電容C1、電阻R3、R4、NMOS管Q2組成，其中D2起到單向導通作用，使電容C1的電荷不能通過充電電路放電；C1、R3、R4組成放電回路，對電容C1上的電荷放電；Q2組成旁路電路，將高邊開關輸入控制旁路，起到關閉高邊開關驅動輸入的目的，以實現輸入保護。在該電路中Q2選擇NMOS，主要因為NMOS導通電壓小，保護時能可靠地把輸入電壓下拉到底；如果采用三極管，三極管導通時有較高的管壓降（0.3V左右），保護時不能完全把輸入電壓下拉到底，致使Q4不能完全截止，驅動不能完全關閉，不能達到保護的目的。

6）輸入電路。由電阻R1、R5、R7組成，為Q4提供輸入驅動電流，同時與打嗝保護電路配合，旁路輸入信號達到保護的效果。

7）控制電路。由電阻R6、R8、Q4組成，通過控制驅動管PMOS Q3的VGS電壓，達到控制開關驅動的目的。

8）驅動電路。由穩壓二極管D3、PMOS Q3組成，PMOS主要實現功率開關驅動，D3用于對PMOS的源-柵電壓限制作用，避免PMOS因源-柵電壓過高而損壞。驅動管PMOS在小電流場合也可以使用三極管。

9）假性負載。R9主要是消除PMOS管在關閉期間的虛浮電壓，提供負載儲能的放電回路，并與D4二極管組成負載消磁網絡。

10）消磁電路。D4主要用于對感性負載的拋負載消磁。假性負載在電路中除了作為高邊開關的負載外，同時也兼具了消磁電路的責任。

2.2.2" 高邊開關工作過程

根據上述電路和各單元的介紹，具有打嗝模式輸出的高邊開關電路的工作原理如下。

1）正常情況，高邊開關打開（圖4）。

2）負載過載（短路），保護過程（圖5）。

3）保護維持過程（圖6）。

4）保護釋放過程（圖7）。

5）正常情況，高邊開關關閉（圖8）。

通過以上高邊開關運行過程，可以實現高邊開關的普通開關過程。當負載端過載或短路時，高邊開關運行2）～4）的打嗝模式，將開關電路保護起來，以免開關電路因負載過載或短路原因，造成電路損壞。

從上述過程的相應公式，通過調整RC常數，可以實現打嗝周期調整，使驅動管能更好地實現散熱，得到更好的保護作用。

2.3" 模擬運行效果

運行RC參數：R3=0Ω、25kΩ、50kΩ、75kΩ、100kΩ；R4=100kΩ，C1=1μF；運行電壓Vbat=24V。運行狀態為負載過載。模擬過載打嗝輸出效果見圖9。

通過模擬運行，可以看到當R4不變，調整R3的大小，可以實現對打嗝周期的調整。電路中R4也可以影響RC放電時間常數，但R4作為Q2的柵極下拉電阻，調節R4，會影響到Q2柵極的電位向下偏移。在電路中R4的阻值設計最好不能小于R3。當然也可以根據MOS管Q2的VGS電壓需求，調整R4小于R3使電路得到運行，這樣就要特別小心計算設計。

3" 結論

具有打嗝模式輸出的高邊開關電路的設計初衷是用來驅動1A左右的電流的負載。經過驗證和實踐，該電路可以根據驅動管的能力和調整限流電阻的大小來提高帶負載的能力。該電路可應用于各類不需要對負載監測的場合，根據電路實際情況，在得到較大功率功出的驅動的同時，可以獲得較優的硬件成本。因電路是分立元件設計，其設計缺陷也是非常明顯的，如占用更多的PCB布局空間，更多潛在的失效點等。