自保護MOSFET提高了汽車電子設(shè)備的可靠性

汽車行業(yè)需要具有成本效益且完全可靠的電氣系統(tǒng)，但這種嚴酷且具有潛在破壞性的環(huán)境對控制現(xiàn)代車輛中常見的無數(shù)功能所需的功率半導體器件提出了巨大挑戰(zhàn)。

如圖 1所示，汽車電氣設(shè)備可能會受到標稱電池電壓的極端變化的影響。由于負載瞬變和感應場衰減，這可能從 –12 Vdc（由反向連接產(chǎn)生）到 125 Vdc 不等。再加上極端的工作溫度和大量互連，可能會因人為交互而造成 ESD 損壞，結(jié)果是比消費市場中的環(huán)境更具挑戰(zhàn)性。

事實證明，標準 MOSFET 不夠堅固，無法滿足許多汽車應用的正常功率半導體要求?？朔呻姼屑夥搴拓撦d突降引起的瞬態(tài)，否則會破壞 MOSFET，要么需要更大且因此成本更高的 MOSFET，要么使用外部鉗位來吸收能量，這顯然增加了分立電源電路的復雜性設(shè)計。

圖 1：汽車電池電壓變化的來源。

自我保護 MOSFET 解決了這個問題，它在其單片電路拓撲中包含鉗位和其他保護功能，為驅(qū)動繼電器、LED 和其他電感負載提供更可靠、成本更低/更小的解決方案。 ? ?

繼電器驅(qū)動

MOSFET 輸出端的有源漏極鉗位在開關(guān)繼電器時特別有用，因為由于它們的電感特性，在停用繼電器時會產(chǎn)生較大的瞬變，這些瞬變有可能破壞未受保護的 MOSFET。圖 2 說明了在其輸入端也具有 ESD 保護功能的自保護 MOSFET 如何解決這個問題。

MOSFET 柵極和漏極連接之間的背靠背齊納堆棧是這種低側(cè)有源鉗位配置的關(guān)鍵組件。鉗位電壓由齊納堆棧電壓設(shè)置，設(shè)計為低于 MOSFET 漏源結(jié)的雪崩擊穿電壓，但足夠高，不會在正常工作時觸發(fā)。

圖 2：低端有源過壓鉗位的等效電路。 ? ?

這意味著當 MOSFET 關(guān)閉時——即器件的輸入接地——并且漏極引腳的電壓上升到齊納堆棧電壓以上，電流將通過齊納二極管和輸入電阻流向地。然后，當 MOSFET 柵極產(chǎn)生的電壓接近其閾值時，MOSFET 將開始導通并消耗負載電流。

這確保了由停用繼電器產(chǎn)生的感應能量被在其正常有源區(qū)工作的功率 MOSFET 吸收，而不是在反向雪崩模式下更局部地耗散能量。由于鉗位電壓低于雪崩電壓，因此 MOSFET 在鉗位模式下消耗的瞬時功率比雪崩模式少，從而提供了更大的能量處理能力。 ? ?

燈驅(qū)動

為了幫助進一步應對瞬變，一些自我保護的 MOSFET 采用完全保護的拓撲結(jié)構(gòu)，其中包含過熱和過流保護電路。從圖 3的框圖中可以看出，這是對過壓和 ESD 輸入保護的補充。

圖 3：更多集成的自我保護 MOSFET 可提供進一步的過流和過溫保護。? ? ?

像這樣的自我保護 MOSFET 使用溫度傳感器和熱關(guān)斷電路來防止過熱。該電路在 MOSFET 開啟時處于活動狀態(tài)，一旦超過閾值溫度（通常為 175°C）就會觸發(fā)。這會關(guān)閉 MOSFET，中斷電流以限制進一步的散熱。一旦設(shè)備冷卻約 10°C，內(nèi)置遲滯通常會允許輸出自動重新打開。

白熾燈在關(guān)閉時具有低電阻，當燈打開并加熱時電阻會迅速增加。通過限流電路實現(xiàn)的過流保護不僅可以防止故障情況，還可以避免與燈的低導通電阻相關(guān)的高浪涌電流。電流限制電路檢測到由于負載電流過大而導致的 MOSFET 漏源電壓 (V DS ) 的大幅增加，并通過降低內(nèi)部柵極驅(qū)動和限制漏電流 ( ID ) 來做出反應。此功能可保護 MOSFET 并延長燈的使用壽命。其行為如圖4所示。

圖 4：顯示電流限制功能的典型輸出特性。 ? ?

雖然這些保護電路是獨立實現(xiàn)的，但它們通常會結(jié)合使用。例如，過流調(diào)節(jié)可以運行一段時間，但可能無法阻止溫度最終達到啟動過熱循環(huán)的閾值。?

憑借其內(nèi)置保護功能，自保護 MOSFET（例如 Diodes 的 DMN61D8LQ 或更全功能的 ZXMS6004FFQ）為各種汽車應用中的開關(guān)負載提供了具有成本效益的解決方案。它們的固有特性提高了系統(tǒng)可靠性，而 Diodes 的 SOT23 封裝器件的小尺寸與替代解決方案相比可節(jié)省空間和成本。

　　審核編輯：湯梓紅