滿足高溫環(huán)境需求的汽車電子器件

汽車中使用的電子器件數(shù)量在不斷增多，而且這一趨勢(shì)也開始出現(xiàn)在一些由于環(huán)境惡劣而通常難以使用具有成本效益的電子器件的領(lǐng)域，例如，直接用于電機(jī)或變速箱、渦輪增壓器或廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中。業(yè)界一直希望出現(xiàn)外形小巧、經(jīng)濟(jì)的機(jī)電系統(tǒng)，這類系統(tǒng)可與電機(jī)一起直接安裝在待驅(qū)動(dòng)的機(jī)械裝置上。

但是，由于汽車中這些區(qū)域的溫度較高，必須采用特殊的高溫電子器件(如工作溫度為125℃或更高的電路)。150℃的環(huán)境溫度指標(biāo)一直被定為基本要求；不過，也有要求環(huán)境溫度指標(biāo)達(dá)到或超過175℃的情況。而在這樣的溫度下，單個(gè)電子元器件能滿足高溫要求是不夠的，系統(tǒng)中包括驅(qū)動(dòng)電路、電源電路和微控制器在內(nèi)的所有器件都必須滿足這些要求。這類系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)芯片及供電芯片的功耗特別大，因而要求結(jié)溫在175℃到200℃之間。

用于200℃結(jié)溫的SOI技術(shù)

采用標(biāo)準(zhǔn)體效應(yīng)材料(bulk material)制造的半導(dǎo)體元器件無法達(dá)到200℃的結(jié)溫。這主要是因?yàn)榘雽?dǎo)體的漏電流在高溫下會(huì)激增，而且隨著溫度升高，半導(dǎo)體器件將更容易出現(xiàn)閂鎖效應(yīng)。SOI(絕緣硅)材料相比體效應(yīng)材料具有許多優(yōu)勢(shì)。體效應(yīng)技術(shù)通常依賴于工作在截止區(qū)的PN結(jié)。而SOI技術(shù)提供了一種利用氧化物完全隔離各個(gè)器件(在水平和垂直方向)的方法(見圖1)。

圖1：SOI技術(shù)REM照片(活性硅片在水平和垂直方向都進(jìn)行了隔離)。

采用SOI技術(shù)時(shí)，硅壁不會(huì)與基底接觸，因而不存在相應(yīng)的漏電流通道。而在傳統(tǒng)的體效應(yīng)技術(shù)中，硅片至基底存在漏電流通道，隨著溫度升高，這個(gè)通道的漏電作用會(huì)隨PN結(jié)中的高溫漏電流的增大而大幅增加。

圖2：采用體效應(yīng)硅和SOI硅片的65V高壓晶體管的漏電流與溫度對(duì)應(yīng)曲線。

利用SOI技術(shù)將漏電流降至五十分之一

圖2展示了采用SOI和體效應(yīng)技術(shù)制造的高壓晶體管中漏電流與溫度的關(guān)系。采用SOI技術(shù)可將漏電流降低至五十分之一。而采用體效應(yīng)技術(shù)時(shí)，晶體管在高溫下的漏電流會(huì)增大到極高的水平。如前所述，除了漏電流增大之外，由于閂鎖效應(yīng)而導(dǎo)致電路損壞的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)隨溫度的升高而增加。閂鎖效應(yīng)是由寄生雙極晶體管引起的，這是共襯底中N溝道和P溝道MOS晶體管的摻雜層結(jié)構(gòu)所固有的問題，如圖3所示。這種寄生雙極晶體管可構(gòu)成一個(gè)晶閘管，其對(duì)應(yīng)的電路如圖4所示。

圖3：體效應(yīng)技術(shù)中的寄生雙極晶體管。

圖4：寄生晶閘管。

在200℃以下實(shí)現(xiàn)無閂鎖效應(yīng)

晶閘管觸發(fā)后會(huì)引起電源對(duì)CMOS器件的短路，這通常都會(huì)造成器件損壞。由于雙極晶體管的電流增益為正溫度系數(shù)，這種晶閘管的靈敏度會(huì)隨溫度上升而增大。采用SOI硅片并對(duì)垂直溝道充氧進(jìn)行絕緣后，寄生雙極晶體管就會(huì)完全失效，這樣，晶閘管在高溫下也能可靠地工作。(見圖5)

圖5： SOI-CMOS技術(shù)中的氧填充絕緣。

ESD保護(hù)對(duì)于汽車電子產(chǎn)品至關(guān)重要。SOI技術(shù)采用了介質(zhì)隔離，因而基底上不會(huì)出現(xiàn)ESD脈沖放電。圖6顯示，這種技術(shù)不會(huì)影響器件滿足最高級(jí)別的ESD保護(hù)要求。圖中給出的ESD保護(hù)特征曲線表明，無需外加保護(hù)電路就可在系統(tǒng)級(jí)測(cè)試上達(dá)到6kV的穩(wěn)定性。

成本壓力是汽車制造中另一個(gè)重要方面。目前的觀點(diǎn)是，在汽車中采用SOI技術(shù)成本太高，因?yàn)镾OI中的基材比采用普通工藝的晶圓昂貴得多。但事實(shí)并非如此，相比體效應(yīng)技術(shù)，SOI材料所需介質(zhì)隔離的裸片尺寸小很多。因此，在光刻結(jié)構(gòu)尺度相同的情況下，其集成度比采用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)時(shí)要高得多。芯片尺寸減小所節(jié)省的成本可抵消基材較高的成本。

圖6：達(dá)到6kV系統(tǒng)級(jí)ESD要求的高壓ESD保護(hù)特征曲線。

圖7表明，從體效應(yīng)技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)镾OI技術(shù)后，驅(qū)動(dòng)部件的裸片尺寸減小。

圖7：采用SOI技術(shù)后，驅(qū)動(dòng)部件的裸片尺寸減小

用于極端環(huán)境條件的微控制器

除先前提到的驅(qū)動(dòng)部件外，高溫應(yīng)用還對(duì)微處理器提出了特別的要求。為此，現(xiàn)有處理器必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，并通過資格測(cè)試，才能用于125℃到150℃的溫度環(huán)境。這些部件的功耗必須非常低，因而，其自身的熱量積累可忽略不計(jì)，最大結(jié)溫幾乎能達(dá)到環(huán)境溫度。微處理器的內(nèi)部熱耗散若非常小，就有可能將閃存及其他功能集成到一個(gè)能在150℃環(huán)境溫度下工作的單芯片中。閃存和EEPROM在高溫下是最敏感的部分，這是其基本機(jī)理所決定的，因?yàn)殡姾纱鎯?chǔ)在浮柵中。當(dāng)溫度升高時(shí)，原子激發(fā)而產(chǎn)生泄露，而被捕獲的電荷會(huì)逃逸，這將縮短存儲(chǔ)單元的壽命和數(shù)據(jù)保存時(shí)間。商用微處理器的內(nèi)存一般都采用成本低的單晶體管存儲(chǔ)單元。對(duì)高溫應(yīng)用來講，這是不夠的，需要采用雙晶體管結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元。這種結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元具有出色的高溫能力，穩(wěn)健性顯著提高。

愛特梅爾AVR系列中的8位微控制器ATmega88就是這樣的產(chǎn)品。如圖8所示，該產(chǎn)品在經(jīng)歷50,000次讀寫操作后才出現(xiàn)第一次失效。

愛特梅爾的8位微控制器采用可在單周期內(nèi)完成一條指令的RISC構(gòu)架。該產(chǎn)品采用非易失性嵌入工藝技術(shù)，因而能集成片上閃存和EEPROM存儲(chǔ)器，以及可用作即時(shí)或臨時(shí)存儲(chǔ)的本地SRAM。

圖8：150℃環(huán)境溫度下閃存存儲(chǔ)單元的失效測(cè)試直方圖。

AVR系列產(chǎn)品具有許多額外的功能，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、模擬放大器或比較器，以及用于通信或時(shí)鐘參考的經(jīng)內(nèi)部校準(zhǔn)的RC振蕩器或數(shù)字接口。這些部件都按照AEC Q100 Grade 0標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)-40℃ 到150℃溫度范圍進(jìn)行資格認(rèn)證。

除提供各種微控制器外，愛特梅爾還提供用于該溫度范圍的驅(qū)動(dòng)電路和系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片，請(qǐng)見以下的兩個(gè)電機(jī)控制應(yīng)用示例。

無刷三相直流電機(jī)系統(tǒng)

使用ATmega88、驅(qū)動(dòng)IC ATA6832以及LIN系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片ATA6624，就可構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的高溫三相系統(tǒng)(見圖9)。

圖9：使用ATmega88和ATA6832實(shí)現(xiàn)的三相無刷直流電機(jī)控制應(yīng)用。

該驅(qū)動(dòng)IC集成了3個(gè)半橋，可直接連接一個(gè)無刷電機(jī)。為最佳監(jiān)測(cè)ATA6832的最大結(jié)溫，每個(gè)集成的輸出級(jí)都有一個(gè)熱傳感器。過熱報(bào)警和過熱關(guān)斷功能(均具有遲滯)確保在高溫下運(yùn)行不發(fā)生損壞。當(dāng)結(jié)溫超過200℃時(shí)，驅(qū)動(dòng)輸出將關(guān)閉，對(duì)輸出進(jìn)行全面的保護(hù)；負(fù)載開路、過載和欠壓都將通過串行接口報(bào)告給微控制器。輸出的開關(guān)也通過串行接口來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路的直接PWM輸入可靈活地連接6個(gè)輸出級(jí)。這樣就能針對(duì)所有加速及制動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)動(dòng)控制。

電機(jī)動(dòng)作和微控制器間的控制環(huán)由霍爾傳感器來實(shí)現(xiàn)，通信由ATmega88執(zhí)行。除控制電機(jī)外，微控制器還配有足夠的閃存，例如足以運(yùn)作LIN。LIN即局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是一種使用廣泛的汽車通信總線，負(fù)責(zé)與汽車進(jìn)行通信。此模塊是通過LIN系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片ATA6624收發(fā)器與汽車系統(tǒng)連接。該芯片還為整個(gè)系統(tǒng)提供5V電壓。為防止超過電路的最大結(jié)溫，使用外接雙極晶體管作為線性調(diào)節(jié)器。目前市面上已有結(jié)溫高達(dá)175℃的晶體管。此外，該芯片還包括監(jiān)視器，可用微控制器來獨(dú)立地監(jiān)測(cè)各種系統(tǒng)功能。

微控制器ATmega88和驅(qū)動(dòng)器ATA6832都是專門針對(duì)高達(dá)150℃的環(huán)境溫度設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片ATA6624的最大結(jié)溫為150℃。該IC的結(jié)點(diǎn)由于自身的電流消耗和LIN通信，本身溫度約有3個(gè)絕對(duì)溫度，因此，最大應(yīng)用環(huán)境溫度為147℃。

采用半橋?qū)崿F(xiàn)直流電機(jī)控制

專門針對(duì)半橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的微控制器ATmega88和系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片ATA6824為高溫直流電機(jī)提供了系統(tǒng)解決方案。與ATmega88一樣，ATA6824也能承受高達(dá)150℃的環(huán)境溫度。ATA6824可在結(jié)溫高達(dá)200℃的條件下工作。為實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換所需的外接功率MOSFET易于獲得，而且適合結(jié)溫高達(dá)175℃的情況。

除了外接功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)級(jí)外，系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片 ATA6824還有一個(gè)為整個(gè)模塊供電的電壓穩(wěn)壓器，其輸出電壓可設(shè)置為3.3V或5V。該系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片還有一個(gè)監(jiān)視器和一個(gè)與汽車中其它模塊通信的串行接口。高邊開關(guān)通過集成的電荷泵供電，這樣就可以使用成本低的N型MOSFET。系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片還可利用電荷泵的輸出電壓來驅(qū)動(dòng)反向動(dòng)作的功率MOSFET開關(guān)，從而以低成本實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通電阻小、功率耗散低的反向電池保護(hù)功能。

電機(jī)的全部動(dòng)作控制由ATA6824中集成的控制邏輯完成。系統(tǒng)將根據(jù)被激勵(lì)的輸出級(jí)的具體情況，監(jiān)視對(duì)應(yīng)的漏源電壓，以防止短路。

如果需要的話，還可通過半橋接地中的旁路電阻來精確測(cè)量電機(jī)電流。微控制器可用ATA6824的診斷引腳來監(jiān)測(cè)半橋驅(qū)動(dòng)電路。半橋上出現(xiàn)的短路、負(fù)載開路、過壓和過熱均有監(jiān)測(cè)，而且一旦出現(xiàn)故障，半橋?qū)㈥P(guān)斷。微控制器會(huì)將這些事件通過串行接口報(bào)告給汽車。

圖10：半橋及ATA6824、ATmega88和四個(gè)外接功率MOSFET構(gòu)成的直流電機(jī)控制電路。

針對(duì)直流電機(jī)控制的六路半橋驅(qū)動(dòng)器

愛特梅爾新推出的六路半橋驅(qū)動(dòng)器芯片ATA6837/39專門針對(duì)高溫應(yīng)用設(shè)計(jì)，符合汽車應(yīng)用規(guī)范要求。該產(chǎn)品尤其適合驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的半橋。諸如渦輪增壓器中或廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中的機(jī)電一體化解決方案，集成了必須由直流電機(jī)控制IC來控制的出風(fēng)口葉板。由于這類裝置靠近引擎或激勵(lì)器，因此需要能在通常高達(dá)150℃的環(huán)境溫度下工作。ATA6837/39就是針對(duì)這樣的高溫環(huán)境設(shè)計(jì)的。

圖11：ATA6837/39應(yīng)用電路。

六路高邊和六路低邊驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)650mA的電流。這些驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)內(nèi)部連接形成了6個(gè)半橋，每個(gè)半橋都可通過標(biāo)準(zhǔn)的串行接口單獨(dú)控制。這種配置尤其適合于直流電機(jī)控制；而且，還可結(jié)合許多不同的負(fù)載類型，如燈泡、電阻、電容和電感。