車用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?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/MOSFET">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。電氣配線中大量的接頭（位于適當(dāng)位置以方便裝配和維修接線）也大幅增加了與器件的電氣連接中斷的可能性。汽車工業(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功能所占比重急劇增長(zhǎng)。因此，車內(nèi)的半導(dǎo)體數(shù)量也不斷增加。某些車輛的IC數(shù)量已超過(guò)100個(gè)。MOSFET必須能夠滿足為更多IC提供電力所帶來(lái)的日益增長(zhǎng)的能量要求。汽車子系統(tǒng)本身的發(fā)展也需要更多的能源。在輕型車輛中日益普及的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和防抱死剎車系統(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。

為了滿足對(duì)更大電流的需求，半導(dǎo)體公司必須開發(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)向他們的汽車客戶提供性能優(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）和門電阻器。通過(guò)加入鉗位二極管和門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。可以用于實(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)品線來(lái)說(shuō)都不現(xiàn)實(shí)。