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自我保护型 MOSFET提供高可靠性
在汽车应用的严苛环境

【作者: Ian Moulding】2017年09月18日 星期一

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汽车电子环境非常严苛!如图一所示,由於负载瞬态和感应场衰变,汽车的额定电池电压可在 -12V DC (在反向电池状态) 下变化为 125V DC。加上作业温度、各种互连及开放环境等多种变化,容易受到来自与人类互动而可能产生的 ESD 损害,而且作业环境所面对的挑战性远比消费性市场来得更高。



图一 :  汽车电池电压产生变化的原因
图一 : 汽车电池电压产生变化的原因

汽车业需要具有成本效益与完全可靠的解决方案,但这种潜在的破坏性环境,对现代汽车常见的大量控制功能所需的功率半导体装置带来巨大的挑战。


标准 MOSFET 等功率半导体已被证实其坚固程度不符合许多的汽车应用所需。感应突波与负载突降需要更大 MOSFET 或外部箝位来吸收能量的瞬态,否则将会破坏 MOSFET。这两种选项都会增加成本与独立设计的复杂性。


自我保护型 MOSFET可透过结合箝位与其他保护功能的单片电路拓扑以解决此问题,为驱动继电器、LED 及其他电感负载提供更可靠且更低成本、更小尺寸的解决方案。


继电驱动

Diodes 公司的 DMN61D8LQ 是采用 SOT23 封装的箝位拓扑自我保护型 MOSFET,并已进行最隹化以符合驱动汽车继电器的成本与效能需求。它在输入部分具备 ESD 保护功能,并且在输出部分具备主动汲极箝位功能。後者由於其电感特性,在切换继电器时特别有用,因为在停用继电器时会产生较大的瞬态,而这些瞬态有可能破坏未受保护的 MOSFET。


图二所示的背对背齐纳堆叠位於 MOSFET 的闸极与汲极连线之间,是此低侧、主动箝位组态的主要元件。箝位电压由齐纳堆叠电压设定,其设计为小於 MOSFET 汲极至源极接面的突崩崩溃电压,同时也够高而不会在正常运作中被触发。



图二 :  低侧主动过电压箝位的等效电路
图二 : 低侧主动过电压箝位的等效电路

这意味着当 MOSFET 关闭时,即装置的输入已接地,汲极脚位的电压将上升至高於齐纳堆叠电压,电流将经由齐纳与输入电阻器而流至接地。然後,随着 MOSFET 闸极产生的最终电压接近??值,MOSFET 将开始导通并耗用负载电流。


如此可确保由停用继电器产生的电感能量,可由在正常作用区中运作的功率 MOSFET 吸收,而非以反向突崩模式在本机耗散更多能量。同时,由於箝位电压低於突崩电压,MOSFET 在箝位模式下消耗的功率小於突崩模式,因此可提供更高的能量处理能力。


灯具驱动

为了进一步因应瞬态,自我保护型 MOSFET (以 Diodes 公司的 ZXMS6004FFQ为例) 采用完整保护的拓扑,包括过热保护及过电流保护电路。如图三的方块图所示,其中已加入过电压与 ESD 输入保护。此装置采用小尺寸 SOT23 封装,比同类 SOT223 封装的零件小 6 倍。



图三 :  Diodes ZXMS6004FFQ MOSFET 的自我保护功能
图三 : Diodes ZXMS6004FFQ MOSFET 的自我保护功能

这款自我保护型 MOSFET 利用温度感测器与热关机电路提供保护,以避免过热。此电路在 MOSFET 开启时为主动,并且会在超过临界温度 (通常为摄氏175度) 时触发。此时会关闭 MOSFET,中断电流以限制进一步散热。内建迟滞可让输出在装置冷却约摄氏10度後自动恢复。


白炽灯关闭时电阻较低,当开灯後电阻会快速增加,温度也会上升。透过限流电路提供的过电流保护不仅可提供保护以避免故障,并可避免与灯具低导通电阻相关的高涌浪电流。限流电路可侦测因过载电流而产生的 MOSFET 汲源电压 (VDS) 大幅增加,并藉由降低内部闸极驱动及限制汲极电流 (ID) 进行因应。此功能可保护 MOSFET 并延长灯具寿命,其特性如图四所示。



图四 :  典型的输出特性显示限流功能
图四 : 典型的输出特性显示限流功能

虽然上述保护电路皆独立实作,但它们亦可结合并正常运作。例如,透过电流调节可以运作一段时间,但可能无法阻止温度最终达到进入过热循环的??值。藉由其内建保护功能,自我保护型 MOSFET 可为各种汽车应用的开关负载提供具有成本效益的解决方案。


(作者Ian Moulding为Diodes公司汽车行销经理)


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