高邊驅(qū)動（High Side Driver）也稱之為高邊開關(guān)，置于電源和負(fù)載之間，用于控制應(yīng)用。
高邊驅(qū)動需求不斷增長，已形成對傳統(tǒng)保險絲+繼電器方案替代之勢
作為智能開關(guān)的理想選擇，高邊開關(guān)通常由DMOS功率晶體管和CMOS邏輯電路構(gòu)成，可實現(xiàn)全面的內(nèi)置保護，以防止過載、動態(tài)過壓、短路、超溫、地面損耗、電源損耗、靜電放電等情況的出現(xiàn)，目前已經(jīng)在汽車和工業(yè)等對可靠性要求較高的場景中廣泛應(yīng)用。
在汽車領(lǐng)域，高邊開關(guān)可用于車身控制域中的各種阻性、感性及容性負(fù)載的驅(qū)動，其在車內(nèi)外的應(yīng)用非常廣泛，包括車內(nèi)飾燈、頭尾燈、座椅和方向盤及后視鏡加熱、電磁閥、門鎖、電機等場景使用數(shù)量已經(jīng)非常龐大。
一輛新能源汽車大概擁有90個通道，無論是車內(nèi)還是車外，里面需要使用大量的高邊開關(guān)產(chǎn)品。其中，燈飾產(chǎn)品是目前最大的細(xì)分應(yīng)用場景，不管是頭燈、尾燈還是車內(nèi)的內(nèi)飾燈、迎賓燈、指示燈、投影燈等，這些燈都需要高邊開關(guān)來進行驅(qū)動、開關(guān)和保護。
類比半導(dǎo)體市場總監(jiān)范天偉介紹道，
作為一個多功能的數(shù)；旌袭a(chǎn)品，高邊驅(qū)動里面涉及powerFET、controller、電源、傳感器等很多復(fù)雜的技術(shù)，如果不能有效保護負(fù)載，導(dǎo)致負(fù)載損壞或?qū)е赂哌咈?qū)動產(chǎn)品本身損壞，都會對整車的安全產(chǎn)生問題。
因此，目前汽車行業(yè)對于一個高邊產(chǎn)品，主要關(guān)注阻性、感性與容性等負(fù)載的特性。三大負(fù)載類型里，最單純的是阻性負(fù)載，其負(fù)載特性比較穩(wěn)定。它考驗的是高邊驅(qū)動里的導(dǎo)通內(nèi)阻，內(nèi)阻越低所能帶的阻性越大、額定電流越高；容性負(fù)載在啟動時產(chǎn)生較大的浪涌電流，而實際的工作電流往往遠小于浪涌電流，所以針對容性負(fù)載的限流保護的設(shè)計是一個挑戰(zhàn)；而感性負(fù)載最為復(fù)雜，在關(guān)斷時強烈的能量釋放，產(chǎn)生的反向電動勢一旦處理不當(dāng)，將導(dǎo)致開關(guān)的毀滅性后果。因此，感性考驗的就是高邊負(fù)壓和EAS能力，在設(shè)計高邊開關(guān)的時候往往需要針對感性負(fù)載做特別的設(shè)計和測試。
近年來，隨著新能源汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的不斷發(fā)展，汽車的功能也越來越復(fù)雜。而這些功能都是需要不同的負(fù)載、不同的執(zhí)行器來完成。因此，這給汽車帶來的電子器件的數(shù)量也就越來越多。
范天偉指出：2022年，我國燃油車銷量為1997.7萬輛，平均使用高邊的通道數(shù)在35個。新能源汽車為688.7萬輛，高邊驅(qū)動產(chǎn)品的通道數(shù)為75個。在去年燃油車及新能源汽車二者合計的高邊驅(qū)動產(chǎn)品潛在市場在14~15億顆左右，銷售金額已達6.5億元。而隨著新能源車的發(fā)展，單車通道數(shù)也在不斷增加。到今年為止新能源車的高邊開關(guān)已經(jīng)在去年75個的基礎(chǔ)上上升到了90個通道。因此，預(yù)計今年高邊開關(guān)通道數(shù)在中國市場將上升到20億左右，金額約為11億人民幣。我們預(yù)計，到2025年，隨著新能源車的滲透率不斷增加，后續(xù)中國市場規(guī)模將會進一步增長至25~35億元，整體發(fā)展前景非常樂觀。
高邊開關(guān)日益增長的市場，吸引了眾多玩家布局。在國際上，包括英飛凌、意法半導(dǎo)體、德州儀器、恩智浦、羅姆等汽車半導(dǎo)體廠商目前都有在高邊開關(guān)領(lǐng)域布局。其中，英飛凌作為該領(lǐng)域的主要技術(shù)開創(chuàng)者，目前市場份額占比最高，達到了約40%左右；國內(nèi)市場方面，目前高邊開關(guān)廠商仍然處于起步階段，整體品類較少，且以點狀形態(tài)的小電流、高內(nèi)阻產(chǎn)品為主。
在高邊開關(guān)行業(yè)，龍頭是英飛凌和ST等國際廠商。像ST和英飛凌，使用的是集成的垂直工藝，可以做到更高的工藝集成度、而且覆蓋不同的通道數(shù)，包括1通道、2通道、4通道、6通道，基本上他們的產(chǎn)品是最全的。而某些國際廠商用的是平面工藝，平面工藝有一個問題，本身的die size比較大，不容易把功率密度做高。一旦做高，它的Package會非常大，并且成本也會非常高，所以國際廠商大部分的產(chǎn)品，主要是圍繞100毫歐以上的4通道、2通道、1通道產(chǎn)品為主；而在國內(nèi)市場上，目前主要集中在80毫歐以上4通道、2通道甚至是1通道的高Rdson的小電流產(chǎn)品，經(jīng)常會用在一些小燈的開關(guān)、小電源的配電里。整體而言，目前國內(nèi)廠商的產(chǎn)品相對比較零散，并且在國內(nèi)目前沒辦法達到類似英飛凌這樣的垂直制造工藝能力。
在談到當(dāng)前高邊開關(guān)的市場發(fā)展現(xiàn)狀時，范天偉如是說。
業(yè)內(nèi)周知，開關(guān)是一種司空見慣的器件，有繼電器、自恢復(fù)保險絲、分離器件搭建MOSFET開關(guān)或者直接使用高邊開關(guān)集成電路等多種實現(xiàn)方式。
此前，由于考慮成本等原因，汽車中的開關(guān)一般采用保險絲+繼電器的方案，但隨著汽車智能化產(chǎn)業(yè)變革的加速，傳統(tǒng)的保險絲+繼電器的方案由于功能有限，已經(jīng)無法實現(xiàn)復(fù)雜的保護及診斷需求，同樣分離式的MOSFET開關(guān)電路也有些力不從心。
在汽車產(chǎn)業(yè)變革加速的大背景下，單個HSD芯片憑借更豐富的功能以及更強的性能可取代1個保險絲加1個繼電器的組合配置，已逐漸成為開關(guān)發(fā)展的趨勢。這樣一來，汽車中就有了更多新的位置可供安裝其他器件，從而促進了汽車新一代分散式電源架構(gòu)的發(fā)展。
高邊驅(qū)動逐漸取代保險絲+繼電器傳統(tǒng)方案
目前，特斯拉在Model 3的整車低壓電氣部分就已經(jīng)取消掉了所有的保險絲和繼電器，僅前車身域控制器就配置了21顆高邊驅(qū)動芯片來進行功能控制。在行業(yè)龍頭的示范作用下，預(yù)計汽車保險絲+繼電器的開關(guān)方案將逐漸被HSD 芯片取代。
范天偉認(rèn)為：高邊開關(guān)把傳統(tǒng)繼電器和保險絲的保護功能全部集成在一顆芯片，不僅節(jié)省了線束成本，并增加了狀態(tài)監(jiān)控能夠知道負(fù)載電流的高低并做出診斷和控制，在可集成更多功能、可靠性、開關(guān)次數(shù)、壽命以及輕量化等方面表現(xiàn)都遠比傳統(tǒng)方案優(yōu)異。目前，整車廠正在以HSD芯片的方式替代繼電器 + 保險絲的傳統(tǒng)方案，尤其在以智能化作為賣點的新能源汽車廠商中這一趨勢尤為明顯。
高邊產(chǎn)品已實現(xiàn)對英飛凌/ST的替代，在汽車領(lǐng)域已導(dǎo)入超過150家客戶
高邊開關(guān)其實并不是什么新的產(chǎn)品，英飛凌早在30多年前就涉足了相關(guān)領(lǐng)域。最近幾年僅是伴隨著新能源汽車的飛速發(fā)展，才讓此前的一個不起眼的產(chǎn)品逐漸成為市場的“香餑餑”。
對于國產(chǎn)廠商而言，如果想要在這個被國外大廠壟斷的市場突圍，就必須要解決高邊開關(guān)一系列難啃的問題，才有希望實現(xiàn)彎道超車。
范天偉指出：高邊開關(guān)的技術(shù)壁壘很高，對相關(guān)公司的芯片設(shè)計能力、工藝制造能力和產(chǎn)品封測都提出了極高的要求。在工藝方面，ST、英飛凌等IDM企業(yè)無疑天然具備優(yōu)勢，尤其是其領(lǐng)先的BCD集成垂直工藝，在國內(nèi)代工領(lǐng)域是尚未具備的。在這種背景下，我們想要搶占這塊市場，只能另辟蹊徑。其中，在制造方面，我們與代工企業(yè)聯(lián)合利用我們更強大的powerFET的design架構(gòu)能力，把性能做得更高，以彌補工藝上的不足；在產(chǎn)品方面，我們的產(chǎn)品會更快，市場調(diào)研更加精準(zhǔn)，這樣的話可以更往一些比較集中的領(lǐng)域去做，進而以點帶面形成破局之勢；在價格方面，和英飛凌相比，我們的產(chǎn)品擁有非常好的性價比，這樣對客戶來說可以節(jié)省很大一部分成本。
基于此，類比半導(dǎo)體在高邊開關(guān)市場率先推出了車規(guī)級智能高邊驅(qū)動HD7xxxQ系列產(chǎn)品，具備負(fù)載過流限制保護、相對過溫保護、可配置閉鎖功能的過熱關(guān)斷保護、高精度比例負(fù)載電流檢測、OFF狀態(tài)開路診斷等全方位的保護/診斷功能，可廣泛應(yīng)用于車內(nèi)飾燈、頭尾燈、座椅、方向盤、后視鏡加熱、電磁閥、門鎖、電機等眾多汽車場景。
按照通道的不同，HD7xxxQ系列可以分為HD70xxQ單通道以及HD70xx2Q雙通道兩大智能高邊驅(qū)動產(chǎn)品系列。
類比半導(dǎo)體智能高邊驅(qū)動HD7xxxQ產(chǎn)品家族
具體來看，HD70xxQ車規(guī)級單通道智能高邊驅(qū)動包含HD7008Q、HD7040Q、HD7080Q三個型號，分別對應(yīng)6.5、40和80mΩ三檔內(nèi)阻，均提供SSOP14和SSOP16兩種封裝類型以實現(xiàn)PIN腳兼容，主要應(yīng)用于座椅加熱等汽車12V接地負(fù)載應(yīng)用中，并可以提供進一步的智能保護功能，包括負(fù)載過流限制保護、動態(tài)過溫保護以及過熱關(guān)斷保護等。
以HD7008Q為例，該產(chǎn)品能夠?qū)Ω哌咈?qū)動進行智能控制、診斷、保護，導(dǎo)通電阻 RDS(ON) 典型值均為 6.5 mΩ，在同等阻性負(fù)載條件下可以允許通過更大電流。最大0.1uA的待機功耗，符合域控制器對低功耗需求趨勢。此外，該產(chǎn)品還能提供高精度比例負(fù)載電流檢測以及Vcc欠壓關(guān)斷、VDS鉗位、過溫、動態(tài)過溫等全方位的保護和診斷功能。除了可以用在座椅加熱、前大燈驅(qū)動等領(lǐng)域外，該系列產(chǎn)品還可以在多種10安培以上電流負(fù)載的場景下使用。
雙通道產(chǎn)品方面，公司的HD70xx2Q 雙通道系列產(chǎn)品包含了HD70152Q、HD70202Q、HD70402Q 和HD70802Q 四個型號分別對應(yīng)15、20、40和80mΩ四檔內(nèi)阻。以HD70152Q為例，該產(chǎn)品最大 0.1uA 的待機功耗，導(dǎo)通電阻 RDS(ON) 典型值均為 15 mΩ，能夠精確實時電流檢測提供更快的檢測需求，可以獨立進行控制、診斷及保護，可用在汽車的尾燈、內(nèi)飾燈上等領(lǐng)域。
類比高邊產(chǎn)品主要特點
類比把高邊分成了三類，分別是1通道、2通道、4通道這三類產(chǎn)品。每個通道里，我們基本都做了不同的Rdson，包括8毫歐、20毫歐、40毫歐和80毫歐這四檔，所以我們的高邊矩陣共推出有8顆產(chǎn)品。目前我們已經(jīng)量產(chǎn)的是2通道15毫歐和2通道20毫歐，我們現(xiàn)在送樣階段的是1通道8毫歐的產(chǎn)品，這個在國內(nèi)我們是獨一家。
范天偉說道，對我們客戶來說，他們更希望使用pin to pin的產(chǎn)品，因為他們更容易替換。因此，基本上我們的HD7xxxQ這個系列的所有產(chǎn)品都是能夠?qū)崿F(xiàn)對ST和英飛凌的同類產(chǎn)品進行pin to pin的。雖然類比半導(dǎo)體目前的產(chǎn)品沒有ST和英飛凌多，但也基本可以覆蓋他們60%~70%的產(chǎn)品。
值得重點提及的是，類比的高邊開關(guān)系列產(chǎn)品憑借更低的待機功耗（25℃為0.01μA；85℃為0.1μA）、更低的Rdson（最低做到6.5毫歐）以及更高可靠性的感性負(fù)載（英飛凌/ST為38V典型值；類比為45V），受到了下游客戶的高度認(rèn)可。據(jù)范天偉透露，目前公司高邊驅(qū)動系列產(chǎn)品在國內(nèi)汽車廠商和Tier1中的導(dǎo)入非常順利，目前已經(jīng)Din超過150家客戶，并且在多家客戶中已經(jīng)實現(xiàn)批量供貨。
資料來源：類比半導(dǎo)體
作為一家高品質(zhì)模擬/數(shù)模芯片平臺型供應(yīng)商，類比半導(dǎo)體在汽車電子領(lǐng)域的布局除了高邊產(chǎn)品外，還包括模擬前端、馬達驅(qū)動、模數(shù)傳感器等領(lǐng)域。目前，公司已量產(chǎn)的車規(guī)級離手檢測AFE芯片、車規(guī)級直流有刷電機驅(qū)動器DR702/3Q等產(chǎn)品，已向眾多主機廠商和Tier1客戶批量供貨，并實際應(yīng)用在EPB、電門模塊、電動尾門、天窗以及電動座椅等場景中，產(chǎn)品品質(zhì)得到了客戶的高度認(rèn)可。
展望未來，范天偉表示：高邊驅(qū)動產(chǎn)品將隨著汽車智能化的發(fā)展，往更低的Rdson、更大的驅(qū)動電流、更多通道數(shù)的集成以及更低的靜態(tài)功耗、更智能可編程化的方向去演變。而對于類比半導(dǎo)體來說，憑借領(lǐng)先的產(chǎn)品性能以及豐富的產(chǎn)品矩陣，公司現(xiàn)在已經(jīng)在這個市場上做了一些彎道超車的工作，在中國本土十大汽車公司中類比已經(jīng)導(dǎo)入了八家，相對來說已經(jīng)卡了一個比較好的身位。當(dāng)然，未來如果能跟產(chǎn)業(yè)鏈眾多廠家建立起非常深層的戰(zhàn)略合作的話，類比完全可以開發(fā)出更高集成度、更具差異化的產(chǎn)品，而不僅僅只是局限于pin to pin的跟隨。
