車用MOSFET如何提高能量利用效率與質(zhì)量可靠性

電流感應(yīng)

無需使用低于1歐姆的精密功率電阻測量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，可以通過測量一小部分單元的電流，再乘以已知的比例系數(shù)來計(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。從主FET器件流向感應(yīng)FET器件的電流比例稱為“感應(yīng)比例”（用n表示）。通過將測量終端和源終端保持在相同電壓來定義此參數(shù)。例如，在飛利浦的TrenchPLUS器件中，此比例標(biāo)稱值為550?？梢愿拇吮壤苑峡蛻舻木唧w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)輸出和開爾文源之間連接感應(yīng)電阻器Rs，以便精確地測量電流。此方法提供簡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，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)包含開關(guān)時(shí)的錯(cuò)誤峰值。這些錯(cuò)誤峰值的起因是線性和完全增強(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)揗OSFET時(shí)不能不探討封裝方式，這對(duì)于汽車應(yīng)用來說尤其重要。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，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還通過源導(dǎo)線向上和向外傳導(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需這種考慮。

這種器件填補(bǔ)了簡易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。