車(chē)用MOSFET如何提高能量利用效率與質(zhì)量可靠性

工程師在為汽車(chē)電子設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)可能會(huì)遇到在設(shè)計(jì)任何電源應(yīng)用時(shí)都會(huì)面臨的挑戰(zhàn)。因?yàn)楣β势骷?strong>MOSFET必須能夠承受極為苛刻的環(huán)境條件。環(huán)境工作溫度超過(guò)120℃會(huì)使器件的結(jié)點(diǎn)溫度升高，從而引發(fā)可靠性和其它問(wèn)題。在極端環(huán)境下（如引擎蓋下面的汽車(chē)電子應(yīng)用），溫度的迅速上升會(huì)使MOSFET意外導(dǎo)通，致使閾值電壓接近零伏。

此外，MOSFET還必須能夠承受開(kāi)關(guān)關(guān)閉瞬間和負(fù)載突降故障所導(dǎo)致的高壓尖脈沖。電氣配線(xiàn)中大量的接頭（位于適當(dāng)位置以方便裝配和維修接線(xiàn)）也大幅增加了與器件的電氣連接中斷的可能性。汽車(chē)工業(yè)非常關(guān)注質(zhì)量和可靠性，因此MOSFET必須符合國(guó)際公認(rèn)的AEC Q101標(biāo)準(zhǔn)。

上述每個(gè)方面都非常重要。但還有另外一個(gè)挑戰(zhàn)，即提供更高的能量利用效率。在過(guò)去的幾年里，以電子方式控制的汽車(chē)功能所占比重急劇增長(zhǎng)。因此，車(chē)內(nèi)的半導(dǎo)體數(shù)量也不斷增加。某些車(chē)輛的IC數(shù)量已超過(guò)100個(gè)。MOSFET必須能夠滿(mǎn)足為更多IC提供電力所帶來(lái)的日益增長(zhǎng)的能量要求。汽車(chē)子系統(tǒng)本身的發(fā)展也需要更多的能源。在輕型車(chē)輛中日益普及的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和防抱死剎車(chē)系統(tǒng)就是兩個(gè)很好的實(shí)例?？傊羞@些趨勢(shì)都刺激了對(duì)可承載更大電流的IC的強(qiáng)烈需求。

為了滿(mǎn)足對(duì)更大電流的需求，半導(dǎo)體公司必須開(kāi)發(fā)出能夠使導(dǎo)通電阻（電流流動(dòng)時(shí)的電阻值）下降的功率MOSFET。與常規(guī)的MOSFET相比，采用溝槽（Trench）半導(dǎo)體制造工藝生產(chǎn)的MOSFET有助于將導(dǎo)通電阻值降低20%到40%。

但近幾年，功率MOSFET技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步已經(jīng)將單位硅片面積的導(dǎo)通電阻降至極低的水平，因此器件制造商現(xiàn)在必須尋找其它途徑來(lái)改進(jìn)他們的產(chǎn)品。這在采用高密度溝槽技術(shù)制造具有低漏極到源極電壓的器件時(shí)尤其重要。保護(hù)是IC公司用來(lái)向他們的汽車(chē)客戶(hù)提供性能優(yōu)勢(shì)的策略之一。

更多的MOSFET選擇

時(shí)至今日，挑選MOSFET器件的汽車(chē)設(shè)計(jì)人員只有兩種選擇：1. 選擇無(wú)保護(hù)策略的“簡(jiǎn)易型”PowerMOS；2. 選擇可在環(huán)境條件超出規(guī)格時(shí)自動(dòng)關(guān)斷的帶完全保護(hù)的器件。

不幸的是，具有附加邏輯電路和保護(hù)電路的完全保護(hù)器件也有弊端，即實(shí)現(xiàn)保護(hù)的成本太高。因此，領(lǐng)先的IC公司已在開(kāi)發(fā)一種新型器件，以結(jié)合這兩者各自的優(yōu)點(diǎn)。

飛利浦半導(dǎo)體公司的TrenchPLUS系列產(chǎn)品就是一個(gè)很好的實(shí)例。TrenchPLUS將TrenchMOS技術(shù)和附加的功能完整地集成到芯片上。1996年開(kāi)始采用的TrenchMOS生產(chǎn)工藝把功率MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS（on）減小了一半。TrenchMOS與其它功能相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)在于可以保護(hù)系統(tǒng)、節(jié)約空間，而且無(wú)需昂貴的智能功率器件。

TrenchPLUS技術(shù)

TrenchPLUS器件集成了板上溫度和電流檢測(cè)特性及附加的電阻和二極管（包括ESD保護(hù)）。TrenchPLUS解決方案有助于系統(tǒng)工程師創(chuàng)造出可以在工作過(guò)程中測(cè)量系統(tǒng)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，以改善安全性和優(yōu)化性能。

圖1顯示了TrenchPLUS類(lèi)型器件的典型元件集。

圖1：TrenchPLUS器件可能具有的附加功能

突出顯示的元件組成一個(gè)特性板，可以將其中的功能集成到MOSFET中。這些元件從右上角開(kāi)始按順時(shí)針?lè)较驗(yàn)椋簻囟雀袘?yīng)二極管、電流傳感器、鉗位二極管（內(nèi)部二極管，未顯示）和門(mén)電阻器。通過(guò)加入鉗位二極管和門(mén)電阻器眾所周知的保護(hù)特性，可以保護(hù)對(duì)電壓敏感的柵氧化層免受危險(xiǎn)電場(chǎng)的破壞。

為在過(guò)高的溫度環(huán)境下保護(hù)器件，飛利浦在芯片表面集成了溫度感應(yīng)二極管。這樣集成的理由是：只有直接測(cè)量結(jié)溫方可確保及時(shí)檢測(cè)到會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的高的門(mén)電路溫度。為準(zhǔn)確測(cè)量電流，可以將電流傳感器集成到場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）中。這樣，就不再需要低阻抗分流電阻器了。

溫度感應(yīng)

直接測(cè)量芯片溫度的常規(guī)解決方案是增加一個(gè)比較器和若干無(wú)源元件。但是，隨著設(shè)計(jì)的日益完善，出現(xiàn)了更好的解決方案。TrenchPLUS使用微控制器取代了比較器和無(wú)源元件。

由于準(zhǔn)確度對(duì)MOSFET的溫度測(cè)量至關(guān)重要，所以，我們就從該角度來(lái)說(shuō)明此解決方案。理論上，溫度傳感器的準(zhǔn)確度取決于以下三個(gè)因素：

正向電壓Vf的誤差；

溫度系數(shù)值Sf的誤差；

基準(zhǔn)電壓Vfref的選擇。

圖2更清楚地顯示了這三個(gè)因素的影響。

圖2：Ttrip隨著Vf、Sf的變化而變化

從圖中可以觀察到Vf的內(nèi)在變化給Ttrip增加了固定的偏移量。Sf的變化通過(guò)斜率的變化來(lái)表示。

溫度系數(shù)太小可能導(dǎo)致器件在溫度超過(guò)其最高工作溫度時(shí)仍在工作，從而損害器件的壽命。反之，溫度系數(shù)太高將導(dǎo)致在溫度低于Ttrip時(shí)出現(xiàn)討厭的錯(cuò)誤關(guān)斷。這兩個(gè)因素都對(duì)采取的保護(hù)策略有影響。

為了計(jì)算總誤差，應(yīng)該將Vf和Sf的誤差求和。請(qǐng)注意，如果測(cè)量Vf.的室溫值，則器件的準(zhǔn)確度將會(huì)翻一倍?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整Vfref來(lái)消除Vf的誤差，從而只剩下與斜率相關(guān)的誤差?？梢杂糜趯?shí)現(xiàn)此目的的最精確的技術(shù)就是獲得每個(gè)器件的特性，但這對(duì)大多數(shù)產(chǎn)品線(xiàn)來(lái)說(shuō)都不現(xiàn)實(shí)。

電流感應(yīng)

無(wú)需使用低于1歐姆的精密功率電阻測(cè)量MOSFET內(nèi)部電流的現(xiàn)實(shí)方法就是電流感應(yīng)。即使低于1歐姆的分流電阻器也會(huì)產(chǎn)生大量的熱損耗，影響到能量效率和整個(gè)系統(tǒng)的熱平衡。

在電流感應(yīng)中，將MOSFET單元的一小部分用于電流測(cè)量。由于器件中的所有單元都完全相同并且漏電流在這些單元之間平均分配，因此，可以通過(guò)測(cè)量一小部分單元的電流，再乘以已知的比例系數(shù)來(lái)計(jì)算總的漏電流。

飛利浦的7腳D2PAK用于將溫度感應(yīng)元件和電流感應(yīng)元件連接起來(lái)。從主FET器件流向感應(yīng)FET器件的電流比例稱(chēng)為“感應(yīng)比例”（用n表示）。通過(guò)將測(cè)量終端和源終端保持在相同電壓來(lái)定義此參數(shù)。例如，在飛利浦的TrenchPLUS器件中，此比例標(biāo)稱(chēng)值為550?？梢愿拇吮壤苑峡蛻?hù)的具體要求。為了獲得最高的準(zhǔn)確度，包括有些設(shè)計(jì)人員在內(nèi)，都會(huì)采用虛擬接地法而不是感應(yīng)電阻法。但是，對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用而言，感應(yīng)電阻法提供的解決方案成本更低，因此更適合汽車(chē)應(yīng)用的要求。

感應(yīng)電阻法

如上所述，可以在感應(yīng)輸出和開(kāi)爾文源之間連接感應(yīng)電阻器Rs，以便精確地測(cè)量電流。此方法提供簡(jiǎn)單的電流到電壓的轉(zhuǎn)換，而且該轉(zhuǎn)換值可直接由微控制器的模數(shù)輸入讀取。

感應(yīng)電阻器上的電壓不能大于主器件上的電壓，不過(guò)，可能需要一個(gè)運(yùn)算放大器將信號(hào)放大到更適合的電平。此配置如圖3所示。

圖3：感應(yīng)電阻器電流測(cè)量電路

只要運(yùn)算放大器的共模范圍包括地，那么此電路就不需要負(fù)電源。

幾何感應(yīng)比例n為：

其中，RDM（on）是感應(yīng)FET導(dǎo)通電阻，等于主FET導(dǎo)通電阻減去源引線(xiàn)電阻。

附加的感應(yīng)電阻器增加有效感應(yīng)比例，因此該值變?yōu)閚‘’‘’，計(jì)算公式為：

值得注意的是，感應(yīng)信號(hào)包含開(kāi)關(guān)時(shí)的錯(cuò)誤峰值。這些錯(cuò)誤峰值的起因是線(xiàn)性和完全增強(qiáng)的工作區(qū)域中的電流比例的差別，而且與電路有關(guān)。公式2表明，此電路中有兩大誤差源：

制造過(guò)程中n固有的誤差；

與主FET和感應(yīng)FET的溫度有關(guān)。在25°C和150°C之間，功率MOSFET開(kāi)啟時(shí)的導(dǎo)通電阻大約增加一倍。

另一方面，感應(yīng)電阻器與溫度無(wú)關(guān)。因此可以看出，采用此方法時(shí)，1. 感應(yīng)比例與溫度有關(guān)；2. 其誤差大于采用虛擬接地電路的誤差。

封裝方式

談?wù)?strong>MOSFET時(shí)不能不探討封裝方式，這對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用來(lái)說(shuō)尤其重要。盡管D2PAK是采用TrenchPLUS器件的原始封裝，但現(xiàn)在有了體積更小、熱效率更高的封裝形式。

飛利浦的SOT669 LFPAK可以從SO8的緊湊封裝面積中提供更高的散熱性能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)克服了SO8的限制。其熱阻可以與比其更大的封裝相提并論，這有助于維持盡可能低的操作溫度。LFPAK外形非常小巧——厚度僅為1.1mm，比SO8薄40%。這種創(chuàng)新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其電感遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它封裝。

40V HPA LFPAK封裝具有SO8體積小巧的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有更大封裝（如DPAK）所具有的卓越熱性能。在傳統(tǒng)的功率封裝中，主要的散熱路徑是從裝配點(diǎn)垂直向下并進(jìn)入PCB。但是，LFPAK還通過(guò)源導(dǎo)線(xiàn)向上和向外傳導(dǎo)大量熱量，使其熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于SO8，甚至可以與大得多的封裝（如DPAK和D2PAK）相比。

本文小結(jié)

汽車(chē)電子設(shè)計(jì)工程師在其powerMOS設(shè)計(jì)中采用附加的傳感器有諸多好處。通過(guò)獲取有關(guān)芯片本地溫度/電流的信息，設(shè)計(jì)人員可以節(jié)約空間并降低系統(tǒng)成本。并可以在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的同時(shí)，推進(jìn)設(shè)計(jì)的范圍。通常情況下需要在成本和性能間進(jìn)行折衷，而采用這種器件則無(wú)需這種考慮。

這種器件填補(bǔ)了簡(jiǎn)易MOS和完全保護(hù)器件之間的空白，非常適合于各種應(yīng)用，包括從汽車(chē)環(huán)境中的電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向（EPAS）系統(tǒng)到主板的DC/DC轉(zhuǎn)換器。