自我保護(hù)型 MOSFET 可在汽車應(yīng)用的嚴(yán)苛環(huán)境中提供更高的可靠性
Ian Moulding - Diodes 公司汽車營銷經(jīng)理
以前曾多次提及，汽車電子環(huán)境非常嚴(yán)苛！如圖 1 所示，由于負(fù)載瞬態(tài)和感應(yīng)場衰變，汽車的額定電池電壓可在 -12V DC （在反向電池狀態(tài)） 下變化為 125V DC。加上作業(yè)溫度、各種互連及開放環(huán)境等多種變化，容易受到來自與人類互動而可能產(chǎn)生的 ESD 損害，而且您的作業(yè)環(huán)境面對的挑戰(zhàn)性遠(yuǎn)比消費性市場來得更高。
圖 1.汽車電池電壓產(chǎn)生變化的原因
汽車業(yè)需要具有成本效益與完全可靠的解決方案，但這種潛在的破壞性環(huán)境，對現(xiàn)代汽車常見的大量控制功能所需的功率半導(dǎo)體裝置帶來巨大的挑戰(zhàn)。
標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 等功率半導(dǎo)體已被證實其堅固程度不符合許多汽車應(yīng)用所需。感應(yīng)突波與負(fù)載突降需要更大 MOSFET 或外部箝位來吸收能量的瞬態(tài)，否則將會破壞 MOSFET。這兩種選項都會增加成本與獨立設(shè)計的復(fù)雜性。
自我保護(hù)型 MOSFET 由 Diodes 公司及其他業(yè)者研發(fā)，可透過結(jié)合箝位與其他保護(hù)功能的單片電路拓?fù)浣鉀Q此問題，為驅(qū)動繼電器、LED 及其它電感負(fù)載提供更可靠且更低成本、更小尺寸的解決方案。
繼電器驅(qū)動Diodes 公司的 DMN61D8LQ 是采用 SOT23 封裝的箝位拓?fù)渥晕冶Ｗo(hù)型 MOSFET，并已進(jìn)行優(yōu)化以符合驅(qū)動汽車?yán)^電器的成本與效能需求。它在輸入部分具備 ESD 保護(hù)功能，并且在輸出部分具備主動汲極箝位功能。后者由于其電感特性，在切換繼電器時特別有用，因為在停用繼電器時會產(chǎn)生較大的瞬態(tài)，而這些瞬態(tài)有可能破壞未受保護(hù)的 MOSFET。
圖 2 所示的背對背齊納堆棧位于 MOSFET 的閘極與汲極聯(lián)機之間，是此低側(cè)、主動箝位組態(tài)的主要組件。箝位電壓由齊納堆棧電壓設(shè)定，其設(shè)計為小于 MOSFET 汲極至源極接面的突崩崩潰電壓，同時也夠高而不會在正常運作中被觸發(fā)。
圖 2.低側(cè)主動過電壓箝位的等效電路
這意味著當(dāng) MOSFET 關(guān)閉時，即裝置的輸入已接地，汲極腳位的電壓將上升至高于齊納堆棧電壓，電流將經(jīng)由齊納與輸入電阻器而流至接地。然后，隨著 MOSFET 閘極產(chǎn)生的最終電壓接近閾值，MOSFET 將開始導(dǎo)通并耗用負(fù)載電流。
如此可確保由停用繼電器產(chǎn)生的電感能量，可由在正常作用區(qū)中運作的功率 MOSFET 吸收，而非以反向突崩模式在本機耗散更多能量。同時，由于箝位電壓低于突崩電壓，MOSFET 在箝位模式下消耗的功率小于突崩模式，因此可提供更高的能量處理能力。
燈具驅(qū)動為了進(jìn)一步因應(yīng)瞬態(tài)，自我保護(hù)型 MOSFET （例如 Diodes 公司的 ZXMS6004FFQ） 采用完整保護(hù)的拓?fù)洌ㄟ^熱保護(hù)及過電流保護(hù)電路。如圖 3 的方塊圖所示，其中已加入過電壓與 ESD 輸入保護(hù)。此裝置采用小尺寸 SOT23 封裝，比同類 SOT223 封裝的零件小 6 倍。
圖 3.Diodes ZXMS6004FFQ MOSFET 的自我保護(hù)功能
這款自我保護(hù)型 MOSFET 利用溫度傳感器與熱關(guān)機電路提供保護(hù)，以避免過熱。此電路在 MOSFET 開啟時為主動，并且會在超過臨界溫度 （通常為 175°C） 時觸發(fā)。此時會關(guān)閉 MOSFET，中斷電流以限制進(jìn)一步散熱。內(nèi)建遲滯可讓輸出在裝置冷卻約 10°C 后自動恢復(fù)。
白熾燈關(guān)閉時電阻較低，當(dāng)開燈后電阻會快速增加，溫度也會上升。透過限流電路提供的過電流保護(hù)不僅可提供保護(hù)以避免故障，并可避免與燈具低導(dǎo)通電阻相關(guān)的高涌浪電流。限流電路可偵測因過載電流而產(chǎn)生的 MOSFET 汲源電壓 （VDS） 大幅增加，并藉由降低內(nèi)部閘極驅(qū)動及限制汲極電流 （ID） 進(jìn)行因應(yīng)。此功能可保護(hù) MOSFET 并延長燈具壽命，其特性如圖 4 所示。
圖 4.典型的輸出特性顯示限流功能
雖然上述保護(hù)電路皆獨立實作，但它們亦可結(jié)合并正常運作。例如，過電流調(diào)節(jié)可以運作一段時間，但可能無法阻止溫度最終達(dá)到進(jìn)入過熱循環(huán)的閾值。
透過其內(nèi)建保護(hù)功能，自我保護(hù)型 MOSFET 可為各種汽車應(yīng)用的開關(guān)負(fù)載提供具有成本效益的解決方案。其內(nèi)部特性可提高系統(tǒng)可靠性，相較于競爭業(yè)者的裝置，Diodes 公司 SOT23 封裝裝置的小巧體積可節(jié)省極大的空間與成本。
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