詳細(xì)介紹如何運用MOSFET實現(xiàn)完美安全系統(tǒng)

汽車上許多組建的多元應(yīng)用，從車上的燈泡到繼電器、從LED顯示照明到啟動馬達(dá)，不僅提供了各式各樣的高負(fù)載型、低成本效益的解決方案，也兼具了注重安全性汽車所必須的通訊和診斷能力。因此，設(shè)計人員為了增加車上電子系統(tǒng)的可靠性和耐久性，除了降低維修成本，避免組建發(fā)生故障，降低電子系統(tǒng)所造成的傷害，他們還在功率器件中加入故障保護(hù)電路。

另外，在一般汽車行駛的情況下，一旦出現(xiàn)了車上的組件出現(xiàn)故障狀況，將導(dǎo)致汽車上的電路系統(tǒng)發(fā)生短路，或電源無法供電。在遠(yuǎn)程傳感器中采用車用金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor;以下簡稱MOSFET)組件技術(shù)后，將能適時地保護(hù)發(fā)生故障的組件，或者在汽車線束及故障組件之間形成一個很高的阻抗，降低故障的發(fā)生率。

車用MOSFET組件與自我保護(hù)技術(shù)

在某種程度上，新車型的設(shè)計以來電子電路的設(shè)計，以降低成本、提高可靠性和豐富功能。另一方面，隨著電氣和電子系統(tǒng)不斷增加，以及其占用大部分汽車成本和重量的情況，該設(shè)計使電路保護(hù)設(shè)計成為設(shè)計工作中的關(guān)鍵。所以，一般汽車組建的設(shè)計工程師為了汽車商組件適用性的問題，大部分都會使用外部傳感器、分立電路或者軟件來應(yīng)用。但是隨著技術(shù)持續(xù)發(fā)展，MOSFET除了具有高頻率性能、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點之外，還能使功率組件更能夠符合最低的系統(tǒng)成本，可歸類在多載式導(dǎo)電的單極型電壓控制組件中。因此，很多設(shè)計人員都會采用MOSFET這類具有保護(hù)作用的功率組件完成設(shè)計。

圖說：一般的汽車電路系統(tǒng)架構(gòu)，大致上可簡單分為嵌入式與便利端口等兩種形式，而目前所使用的技術(shù)規(guī)范中，定義了MOSFET組件的技術(shù)規(guī)范。

在過去這幾年當(dāng)中，在汽車內(nèi)、外部安裝了電子設(shè)備，藉以控制汽車主體功能的汽車廠商持續(xù)地快速增加，使得車用半導(dǎo)體的應(yīng)用數(shù)量也有顯著的提升。而在復(fù)雜的車用電子系統(tǒng)中，幾乎所有使用的功率組件除了要能因應(yīng)環(huán)境快速的變化之外，在面對到電子產(chǎn)品關(guān)閉瞬間電流，及負(fù)載切斷電源故障所引起的高壓變化時，能有其因應(yīng)之道。

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另外，還有一點就是當(dāng)車內(nèi)的環(huán)境工作溫度一旦超過100℃∼120℃的時候(如：引擎室、輪胎周圍等)，很容易就會產(chǎn)生組件結(jié)溫的情形，進(jìn)而影響到組件的可靠度及其它可能發(fā)生故障的問題。還有一個問題就是車上復(fù)雜的線束問題，在車用線束中有許多的連接器，因為汽車上有越來越大功率需求，即便是在一般的應(yīng)用條件下，組件所要承受的壓力相對提高，也很有可能造成組件電氣連接發(fā)生間斷性的故障問題。

為了滿足汽車更大的電流需求，順應(yīng)目前潮流，汽車半導(dǎo)體廠商必須開發(fā)電源MOSFET組件技術(shù)。為降低電流流動時的電阻值，目前MOSFET在車用電子、電力系統(tǒng)中已經(jīng)有了越來越多的應(yīng)用，這樣可以看出其重要性?，F(xiàn)階段，為了達(dá)到更有效率的能量利用率，以及最低成本的應(yīng)用優(yōu)勢，除了滿足車上多變的應(yīng)用環(huán)境外，還要順應(yīng)國際組建標(biāo)準(zhǔn)需求，這樣才能進(jìn)一步符合汽車市場對于功率組建的要求。所以，在為汽車電子產(chǎn)品設(shè)計電力系統(tǒng)的同時，車用電子設(shè)計工程師除了適宜性、可靠性和耐久性等本身問題外，還要面對各種各樣艱難的技術(shù)難關(guān)。

圖說：隨著電力需求的增加，提高了線束的復(fù)雜度，增加了對汽車的電線、重量以及封裝的限制。因此，每條電氣線路都要求針對短路和過載提供充足的電路保護(hù)措施，雖然，每個電氣負(fù)載理論上都可采用自身專用的熔斷器進(jìn)行保護(hù)，但是熔斷器在熔斷后必須進(jìn)行更換。

汽車電子系統(tǒng)中還有哪些問題尚待解決

◎車上系統(tǒng)的短路故障問題

如果在車上電路系統(tǒng)組件之間，一旦發(fā)生了短路故障的情況，會使得MOSFET立即關(guān)閉，短路的電流會通過MOSFET周圍來進(jìn)行分流，很容易就能發(fā)現(xiàn)故障問題的存在。不過，一旦電路系統(tǒng)的短路現(xiàn)象是屬于間歇性，或者負(fù)載為電感的情況下，電流停止時會在MOSFET上產(chǎn)生一個反激式電壓(Flyback)，來加以判斷負(fù)載電感中的峰值電流是否高于正常工作時的峰值電流。因此，組件所吸收的能量會比原先預(yù)期的還要多，而多個間歇性發(fā)生短路的情況，也會轉(zhuǎn)為連續(xù)而快速發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致峰值結(jié)溫快速提高，容易對組件本身產(chǎn)生潛在性的破壞。

◎溫度過高也容易發(fā)生故障問題

組件引腳的靜電放電(ESD)、線路瞬間電流，以及電感負(fù)載開關(guān)產(chǎn)生壓力過高，另外就是過熱的問題。在眾多設(shè)備中，一旦組件的溫度過熱就容易導(dǎo)致故障的發(fā)生，甚至是引起其它組件發(fā)生故障。就像電路系統(tǒng)的短路現(xiàn)象，容易使組件發(fā)生過高的功耗，或者是在極冷、極熱的環(huán)境條件下，使組件的散熱設(shè)備或電路板間的焊錫產(chǎn)生失效情況。在這么多可能導(dǎo)致故障的情況下，具自我保護(hù)MOSFET組件的控制電路，則是在一種安全模式來加以監(jiān)測，甚至是控制組件工作情況，一旦組件臨時發(fā)生故障，還能立即修復(fù)并恢復(fù)到正常功能，甚至能夠進(jìn)一步降低汽車上的控制組件的體積尺寸，還具有提高可靠性，而在傳感器方面則具有自我故障診斷、工作狀態(tài)監(jiān)測及溫度感測、過電壓以及過電流斷電的保護(hù)等功能。

圖說：汽車電子的輸出系統(tǒng)在一般情況下也需要對由短路或電機堵轉(zhuǎn)所造成的過電流現(xiàn)象進(jìn)行自我保護(hù)，因此，MOSFET在設(shè)計上，采取高頻率性能、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良的設(shè)計方式。

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如何在溫度過高的情況下達(dá)到自我保護(hù)作用

在一般的汽車上，所使用的過溫保護(hù)組件，是利用對溫度較為敏感的組件，如：二極管的偏壓來加以實現(xiàn)。假設(shè)上述的這些組件監(jiān)測到芯片結(jié)溫溫度超過當(dāng)初所設(shè)定的數(shù)值，電路系統(tǒng)便會將具有主功率的MOSFET門極拉到接地，并在第一時間就關(guān)閉該組件，使其中的部份內(nèi)置組件能暫停電流傳遞動作，待芯片的溫度稍微下降到適當(dāng)?shù)臏囟戎螅艜?dǎo)通電流至正常狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)生溫度過高的故障之后，有兩個主要問題必須要解決。

第一、當(dāng)設(shè)備持續(xù)地進(jìn)行作動，使組件的溫度過高有可能會導(dǎo)致自我保護(hù)作用失效，發(fā)生組件故障的可能情況。這是因為關(guān)閉電感負(fù)載或變壓器負(fù)載的同時，其輸出的放大功率會因為頻率的不同，而產(chǎn)生差異與變化，此時的電路組件便會主動吸收存儲在負(fù)載電感中的能量，這對于應(yīng)用在汽車電子、電路系統(tǒng)的MOSFET標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)來說，是非常重要的。因為，一旦結(jié)溫超過內(nèi)部所能承受的溫度，組件不再具有半導(dǎo)體特性，門極的控制動作容易產(chǎn)生錯誤情況，除非漏極電源功率立即消失，否則當(dāng)晶體管門極長度縮短，會導(dǎo)致門限電壓(thresholdvoltage)因此而降低，進(jìn)而產(chǎn)生短通道效應(yīng)(short-channeleffect)，將使得設(shè)備的電路組件受到破壞。

自保護(hù)的MOSFET可能遭受同樣的情況，因為當(dāng)門極輸入電壓對控制電路進(jìn)行偏置時，由于門極偏置為零，過溫限制電路處于無效狀態(tài)。在正常工作和最壞的故障情況下(如器件間歇性短路的情況)，電路設(shè)計人員必須確保器件吸收的能量不超過最大額定值。另外，即使出現(xiàn)最高能量額定值，能量脈沖之間必須有足夠的時間讓結(jié)溫冷卻到初始結(jié)溫。否則，結(jié)溫在每個能量脈沖之后升高，最終達(dá)到內(nèi)部故障溫度。

第二，當(dāng)溫度限制開關(guān)斷電路與電流限制電路一起協(xié)同運作時，有可能產(chǎn)生的高溫故障問題。當(dāng)電流產(chǎn)生限制電路時，將門極節(jié)點的電壓增加到閥值電壓的附近，同時迫使組件進(jìn)入工作模式的情況，并在不同的組件結(jié)構(gòu)下，產(chǎn)生不同的參數(shù)值與分析的數(shù)據(jù)結(jié)果，如此便可保持電流限制的設(shè)定點隨時符合高電流及低功耗的特性，以滿足從機械形式進(jìn)展成機電形式的汽車電子系統(tǒng)。

對于采用熱滯后電路讓零件在過溫故障情況下循環(huán)導(dǎo)通和關(guān)閉的組件，結(jié)溫將穩(wěn)定在滯后電路高低設(shè)定點之間的溫度。這與高溫可靠性測試類似，都取決于組件在故障情況下的工作時間。一般來說，當(dāng)組件的可靠性下降變成一個受重視的問題時，別指望在故障情況下該組件工作幾千小時或更長時間。

圖說：汽車電路架構(gòu)的未來將以42VPowerNet供電網(wǎng)絡(luò)和過渡性雙電壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略，為電氣和電子系統(tǒng)架構(gòu)提供了許多革新的機會。

對汽車電力、電子設(shè)備的控制系統(tǒng)、故障自我偵測、訊號處理等，微機電也具有時代性的重要象征，在電源接口，也需要具有過電流的自我保護(hù)功能來戰(zhàn)線汽車電子陳葉體系所導(dǎo)入的電源標(biāo)準(zhǔn)，為防止各種類型的故障發(fā)生，針對汽車電源的部分進(jìn)行保護(hù)。以防止各種類型的故障發(fā)生。因此，在汽車上的應(yīng)用，未來微機電還會持續(xù)發(fā)展，這包括電力技術(shù)等運用到汽車上的電力、微電子技術(shù)、和電子組建中，這樣更多而且適合用在汽車上的電力、電子組建自我保護(hù)系統(tǒng)才會被工程師們開發(fā)出來。

車上的電流限制可以透過使用電阻、保險絲、開關(guān)或MOSFET組件技術(shù)來加以實現(xiàn)。目前很少采用電阻保護(hù)方案，因為它會在正常電流狀態(tài)下產(chǎn)生過大的電壓降。有可能采用一次性保險絲方案，但是這種保護(hù)易于損壞，而且必須在產(chǎn)生故障后予以更換。雙金屬開關(guān)的局限性在于它存在反復(fù)接通，并有可能導(dǎo)致觸點熔連故障。在很多汽車應(yīng)用中，最好的保護(hù)方案為MOSFET組件技術(shù)，這種組件在正常工作狀態(tài)下呈現(xiàn)低阻抗，而在產(chǎn)生故障時呈現(xiàn)高阻抗;如此一來，便能使汽車電力自我保護(hù)系統(tǒng)呈現(xiàn)最佳化的狀態(tài)。

因為汽車在電源啟動或關(guān)閉的過程中，很容易就會產(chǎn)生短路組件，這就導(dǎo)致了汽車上最常見并且是最麻煩的故障問題就是汽車電路系統(tǒng)「短路」的故障問題。也可以說，大部分在汽車上產(chǎn)生的短路故障屬于間歇性，也就是說，在短時間內(nèi)有可能產(chǎn)生很多不同的狀況，但是現(xiàn)在就可以利用MOSFET組件來解決這類電路系統(tǒng)短路問題。