【模电】高低边驱动

编辑：CrazyRabbit
日期：2022年8月11日

一直不太理解高低边驱动，本文记录了国内国外网站的一些资料。

1. Quora高票回答1

本节是Quora高票答者Steven J Greenfield的回答。
首先，我们说的“高边”，通常指的是电源端或负载的+Vcc/Vdd端。 当我们说“低边”时，通常指的是负载的中性线或接地/公共/返回端。
如下图，左侧是低侧驱动器。 右侧是高边驱动器。

• 高边驱动器是一种开关元件位于 Vcc 和负载之间的驱动器。
• 低边驱动器是一种开关元件位于负载和公共端之间的驱动器。

独立负载，例如直流电机、螺线管/继电器、灯或 LED 灯串，通常可以通过任一方法驱动。
使用高边驱动器可以更好地驱动更复杂的负载。 例如，如果负载是一个连接到其他电路的复杂电路，断开公共端以移除电源可能会导致意想不到的后果，而其他连接现在通过允许一些电流仍然流动而导致“幻象电源”（phantom power）效应。
我们不会在所有东西上使用高边驱动器的原因是高边驱动器需要 P 沟道 MOSFET 或 PNP 晶体管开关，并且由于半导体的物理特性，更容易设计更高电流/速度的 N 沟道 MOSFET 和 NPN 晶体管 . 可以使用 N 型半导体作为高边开关，但您必须产生更高的电压来驱动它，从而使电路更加复杂。（其实就是说高边驱动更复杂）
此外，对于负载由高于微控制器驱动电压的电压驱动的情况，低边开关只需将 0-5V 信号输入具有足够高 Vce 额定值的逻辑电平 MOSFET 或双极晶体管。 但是使用 P 型的高端开关需要额外的电路，否则开关将永远不会完全关闭。
在这个例子中（下图），输入可能是 0-5V 甚至 0-3.3V，而继电器可能是 12V、24V、28V 等，只要晶体管的额定电压可以承受足够的电压。

在这里，你可以看到颠倒的等效电路，PNP 晶体管由 0-5V 驱动，负载电源为 12V。 但是，晶体管导通的驱动电流是由电阻和输入端到发射极的电压决定的，当输入为0V时，电阻和BE结之间有12V，当输入为5V时，有 电阻和 BE 结上的电压仍然为 7V。 所以它永远不会关闭。

所以它需要更多的组件来实现这一点：

2. Quora高票回答2

本节是Quora高票答者Loring Chien的回答。
H 桥是一种将可逆极性驱动应用于负载的配置，例如电机，它可能需要向前或向后运行，或者只是在计算机控制下停止。

在上面的示意图中，仅打开 Q2 和 Q3 向电机施加正电压。仅打开 Q1 和 Q4 将对电机施加反向电压，使其与上述相反的方向转动。
在这种配置中，Q1 和 Q3 被称为将负载连接到地或较低电压的低侧开关，而 Q4 和 Q2 是连接负载到正电压的高侧开关。
进行正驱动包括闭合一对高侧和低侧开关，进行负驱动意味着关闭相对的一对低侧和高侧开关。 D1-D4 仅用于续流感应冲击保护，它们通常是反向偏置的，实际上不在电路中。 当所有开关都关闭时，电机将无驱动。 它可能仍会移动，因为电路没有提供制动并且可能需要机械制动。

请注意，高端和低端开关控制的驱动电平和极性通常不同。 开关可以是 BJT、MOSFET 等。高端开关通常更复杂，因为电机电压往往高于驱动它们的逻辑电压。
值得注意的是，您不需要 H 桥来拥有高侧和低侧驱动器。 如果您有一个带单极驱动的负载，那么您只需要一个开关，一个高侧或低侧取决于您是希望将负载接地并切换高侧，还是将负载连接到正轨和低压侧的开关。 即使没有电流流过，后者也会使负载处于升高的电压下。 正如我提到的，低边开关有时更容易，但它始终是一个工程决策。

3. stackexchange高票回答

electronics.stackexchange网站高票回答。
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在左侧所示的低侧开关中，负载位于电源轨和进行开关的 N 沟道 MOSFET 之间。
在右侧所示的高端开关中，负载位于接地和进行开关的 P 沟道 MOSFET 之间。
低边开关便于驱动 LED、继电器、电机等，因为您通常可以直接从微控制器的输出驱动它们，只要 MOSFET 的 VGS 值低于引脚的输出电压。
如果您使用它来驱动继电器或电机等感性负载，请确保在负载两端放置一个抑制二极管。
然而，它们不太擅长为其他电路供电，因为无论通过 MOSFET 的电压降是多少，驱动电路的接地参考都将高于实际接地。
高边开关更适合打开和关闭电源轨。 由于有上拉电阻，它们通常由配置为漏极开路 (OD) 的输出引脚驱动。 然而，逻辑是倒退的。 要打开 MOSFET，您需要在栅极上接地。 要将其关闭，请将引脚悬空，因为上拉电阻会使 MOSFET 保持关闭状态。 （在具有 OD 输出的微控制器中，这是通过向输出引脚发送 1 来完成的）。
高边开关有一个陷阱； 如果馈入 MOSFET 的 VDD 比微控制器的电源电压高约 0.6v，则可能会损坏后者。 例如，如果您在 5V 下运行微控制器并使用高边开关切换 12V，就会发生这种情况。 在这种情况下，您可以使用小型 N 沟道 MOSFET，其输出馈入 P 沟道的栅极。
有时需要切换数十或数百安培的电流。 在这种情况下，您不能将 N 通道栅极直接连接到微控制器输出引脚，因为它没有足够的驱动力来快速打开 MOSFET。 因此可以使用 MOSFET 栅极驱动器，例如 Micrel MIC5018。

这允许将 N 沟道 MOSFET 用作高端开关。 在大电流应用中，N 沟道优于 P 沟道，因为它的导通电阻 (R_DSON) 较低。 由于 MOSFET 的栅极必须比源极高 VGS 伏，因此需要一个特殊的 IC 将 CTL 引线上的逻辑电平转换为更高的栅极电压。即使 N 通道用于低端配置，也需要驱动芯片以足够快地正确驱动栅极。 MOSFET 的 VGS 值也可能大于微控制器的输出。
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4. KIA网站

驱动负载有两种基本方法：低边驱动，高边驱动。低边驱动通常用于与动力总成相关的负载，例如电机，加热器。而高边驱动经常用于燃油泵和车身相关功能，如座椅，照明，雨刷和风扇等。

• 低边驱动

低边驱动(LSD)是通过在用电器或者驱动装置后，通过闭合地线来实现驱动装置使能。低边驱动特点：容易实现（电路也比较简单，一般由MOS管加几个电阻、电容）、适用电路简化和成本控制的情况。

• 高边驱动

高边驱动（HSD）是指通过直接在用电器或者驱动装置前通过在电源线闭合开关来实现驱动装置的使能。高边驱动器的设计比同等的低边复杂一些，一个原因是它通常使用（NMOSFET）作为功率元件。
NMOSFET是优选的，因为它们可以制造得比p沟道器件更小且更便宜，以获得相同的性能。但是NMOSFET通过将栅极电压升高到漏极电压以上而导通。在汽车应用中，漏极电压通常是系统中的最高电压（即电池电压），因此需要额外的升压器件将栅极电压提升到足够的水平。

• 如何选择

两者区别这两者的主要区别在于它们对故障状况的响应。在汽车中，由于接地的金属板无处不在，因此短地故障比短电源故障更容易发生。对于低边驱动级，短地条件意味着打开负载。
相反地，对于高边驱动，短地故障的发生将不会使能负载。同理，对于短电源故障：低边驱动器将短路至电源，负载得以保护；而高边的负载将永久开启。
具体选择哪种类型的负载，需要依据系统的要求。在飞机的负载失效类型中，如果负载失效，最安全的方式是让负载继续运行下去；而对于汽车的负载应用，则正好相反。
例如在发动机管理的控制单元中，很多的控制油泵的开关就是HSD。这是因为在大多数的情况下，当发生短地故障时关掉油泵。这种设计对于当发生车祸或系统失效时是非常有利的。

• 注意事项

对于高低边的驱动来说，在设计的过程之中又需要考虑哪些方面的参数与设计呢？
对于低边的驱动,需要考虑以下的细节：

1. 负载的正常电流有多大?最大电流是多少?
2. 负载是否为容性?如果是容性,冲击电流是多少? 负载是否为感性? 如果是感性,关断时的能量?
3. 负载的控制方式是on/off方式还是ＰＷＭ?如果是ＰＷＭ,频率和占空比是多少? 负载的工作环境温度是多少?极限温度是多少? 系统如果Ground open,对负载有何影响?
4. 需要功率IC的封装方式是ＳＭＴ还是通孔方式的?如果是ＳＭＴ,有多大的面积连接到功率IC的散热片? 如果是通孔方式,采用什么形状的散热器?
5. 负载是否需要诊断?如果需要,需要哪些诊断?过流,过压,过温还是短路等? 负载是否有以下的应用(Reverse battery, Load dump, Over voltage,etc)?

** 对于功率IC中采用高边驱动, 需要考虑以下的技术细节：**

1. 负载正常电流有多大? 最大电流是多少?
2. 负载是否为容性?如果是容性,冲击电流是多少? 负载是否为感性? 如果是感性,关断时的能量?
3. 负载的控制方式是on/off方式还是ＰＷＭ?如果是ＰＷＭ,频率和占空比是多少? 负载的工作环境温度是多少? 极限温度是多少?
4. 需要功率ＩＣ的封装方式是ＳＭＴ还是通孔方式的?如果是ＳＭＴ,有多大的面积连接到功率ＩＣ的散热片? 如果是通孔方式,采用什么形状的散热器?
5. 负载是否需要诊断?如果需要,需要哪些诊断?过流,过压,过温还是短路等? 负载是否有以下的应用(Reverse battery, Load dump, Over voltage,etc)？

参考资料

1. Quora问答
2. KIA网站