汽車電子系統使用自保護MOSFET需考慮的因素

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採用自保護MOSFET可以設計出高性價比的容錯系統，但損害或毀壞自保護MOSFET器件的工作情況確實存在。只有在系統設計時仔細考慮這些因素，才可以設計出高性價比而可靠的系統。
  l0 i' o$ w6 T4 T3 c! W! p汽車電子系統中使用的功率器件必須能抵受極為嚴峻環境的考驗：它們必須能承受關閉瞬流和負載切斷電源故障引起的高壓毛刺；若環境工作溫度超過120℃，器件結溫則將隨之而來升高；線束中的眾多連接器位於方便組裝和維修的位置，這可能造成器件電氣連接的間斷。由於新的負載需要的功率越來越大，所以即使在正常的條件下工作，器件承受的壓力也明顯加大。
為了提高系統可靠性並降低保修成本，設計人員在功率器件中加入故障保護電路，以免器件發生故障，避免對電子系統造成高代價的損害。這通常利用外部感測器、分立電路和軟體來實現，但是在更多情況下，設計人員使用完全自保護的MOSFET功率器件來完成。隨著技術的發展，MOSFET功率器件能夠以更低的系統成本提供優異的故障保護。
圖1顯示了完全自保護MOSFET的一般拓撲結構。這些器件常見的其他特性包括狀態指示、數位輸入、差分輸入和過壓及欠壓切斷。高端配置包括片上電荷泵功能。但是，大多數器件都具備三個電路模組，即電流限制、溫度限制和漏-源過壓箝制，為器件提供大部分的保護。
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圖1：完全自保護MOSFET的一般拓撲結構。
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4 H) D* S9 w& T* Q. j, m, e4 u( R短路故障
+ Y% o1 T; }: n  }最常見也最麻煩的故障可能是短路。這類故障有以下幾種形式：負載間的短路、開關間的短路或電源接地的短路。而且，這些短路器件啟動和關閉時都會發生。由於短路故障通常是間歇性，即使在很短時間中就存在多種形式，使問題更為棘手。例如，在器件之間發生短路而MOSFET關閉的情況下，電流通過短路向MOSFET周圍分流。
: c5 }" F% m- S$ S然而，如果短路是間歇性、負載為電感的情況下，電流中斷將在MOSFET上產生一個反激(flyback)電壓。根據短路持續的時間和電阻，負載電感中的峰值電流可能會高於正常工作時的峰值電流。因此，器件比預期吸收更多的能量，而且多個間歇性短路事件的快速連續發生會導致峰值結溫急劇升高，從而對器件產生潛在的破壞性。

+ |1 O  f, m. R4 r過溫故障
% s2 E# F# E" x- N% k其他故障包括器件引腳的靜電放電(ESD)、線路瞬流或電感負載開關引起的過壓，還有就是過熱。過溫故障通常由其他故障引起，如短路便會快速增加器件的功耗，也可能由極端環境條件或熱路徑異常引起，如器件散熱器和電路板之間的焊料失效。在諸多故障模式下，自保護MOSFET產品的控制電路以一種安全模式來檢測並控制器件工作，使器件在故障修復後可以恢復正常功能。
由於有源元件(MOSFET門極氧化物介面除外)已及閘極輸入引腳連接，因此漏極與源極之間短路時，此引腳的洩漏電流(50-100uA)比標準MOSFET洩漏電流的測量值( < 50nA)大三個數量級。洩漏電流的增加通常不會對門極驅動電路產生影響，但是，門極驅動電路必須能夠在電流限制或熱關機故障情況下驅動足夠大的電流。在過流和過溫故障的情況下，器件一般將功率MOSFET門極節點電壓下拉至接近飽和的工作門限電壓或零伏，以完全關閉器件。
通常門極輸入引腳和功率MOSFET門極節點之間存在一個串聯電阻Rs，所以吸收的輸入電流大約等於(Vin-Vgate)/Rs。器件通常在結溫超過預設限制溫度時關閉。在這種情況下，Vgate=0伏，所以在過溫故障時必須產生一個等於Vin/Rs的最小源極電流。否則，內部門極下拉電路將無法關閉功率場效應管，使其結溫可能達到產生破壞作用的水準。

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過溫保護
通常過溫保護是通過對主功率MOSFET有源區域的溫敏器件(一般為二極體)設置偏壓來實現的。若這些元件偵測到晶片結溫超過過溫設定值時，電路將主功率MOSFET門極拉至地，關閉該器件。一些器件內置滯後電路，使器件可以在晶片結溫稍微下降(一般下降10℃-20℃)後返回導通狀態。圖2顯示安森美的NIF5022N器件短路電流和時間回應之間的關係。在其他器件中，若檢測到過溫故障情況，電流將鎖存，而輸入引腳必須固定對鎖存進行復位。
- k% Y2 p! N6 ~. V6 [% A/ k在過溫故障情況下，必須考慮兩個主要問題。首先，溫度限制關斷電路通常與電流限制電路協同工作，即電流限制電路將門極節點驅動至接近閾值電壓來使器件進入飽和工作模式，以便保持電流限制設定點。在負載間短路的情況下，這意味著在通過高電流時，功率MOSFET上的壓降接近電源電壓。這種高功率情況很快地引起過溫故障。對於採用熱滯後電路讓零件在過溫故障情況下迴圈導通和關閉的器件，結溫將穩定在滯後電路高低設定點之間的溫度。這與高溫可靠性測試類似，都取決於器件在故障情況下的工作時間。一般來說，當器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器件工作幾千小時或更長時間。

( E: i- a! M& b/ v) f圖2：NIF5022N器件短路電流和時間回應之間的關係。

/ d- W4 x0 n% L, ]更切合實際的考慮是，當應用電路在故障情況下將門極輸入迴圈地打開並關閉，使結溫可以在過溫事件之間的這段時間中進行冷卻。在這種情況下，器件進入內部熱迴圈，器件承受的熱迴圈數量有一定的限制。迴圈的次數與許多因素有關，包括結溫幅度差、溫度偵測佈局和電路設計、矽結構、封裝技術等。設計人員必須清楚應用電路是否可以在短路或其他激發過溫保護故障情況下對受保護的MOSFET進行迴圈，然後評估器件在這些情況下的可靠性。這種故障模式分析可省去昂貴的場回路。
第二個問題涉及到當過溫保護無效、隨後可能發生器件故障時器件的工作情況。當關閉電感負載時，器件必須吸收存儲在負載電感中的能量。對於標準的MOSFET，這種工作模式稱為非箝制感應開關(UIS)。在UIS事故中，器件的漏-源矽結處於雪崩狀態，器件產生大量功耗(大小取決於雪崩電壓和峰值電流值)。當MOSFET吸收的能量使結溫超過矽結構的內部溫度(一般超過300℃)時，UIS事故的普通故障模式將發生。當結溫超過內部溫度時，器件不再像一個半導體，門極控制出錯，而且器件會快速毀壞，除非漏極電源功率立即消失。自保護的MOSFET可能遭受同樣的情況，因為當門極輸入電壓對控制電路進行偏置時，由於門極偏置為零，過溫限制電路處於無效狀態。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，即使出現最高能量額定值，能量脈衝之間必須有足夠的時間讓結溫冷卻到初始結溫。否則，結溫在每個能量脈衝之後升高，最終達到內部故障溫度。

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若過溫限制電路在電感負載關閉的情況下偏置，由於大多數自保護MOSFET採用有源過壓箝制，過溫保護可能仍處於無效狀態。有源箝制電路中的關鍵元件是位於主功率MOSFET門極和漏極連接之間的背靠背串聯齊納二極體。以此種狀態堆疊的齊納二極體的設計電壓小於主功率MOSFET漏-源結的雪崩電壓。因為門極已關閉，所以當漏極電壓超過門-漏齊納堆疊電壓時，電流將流過堆疊和串聯門極電阻，流至地面。因此，在主功率MOSFET門極產生接近閾值的電壓，使MOSFET以正激線性工作模式傳導負載電流。由於器件已導通，電感能量在有源區域以更均勻的電流密度耗散，與雪崩工作模式下的能量耗散方式不同。而且，因為箝制電壓低於雪崩電壓，所以器件在有源箝制模式下的暫態功耗低於雪崩模式下的暫態功耗。在有源箝制工作模式下切換電感負載時，這些行為使器件具備更強的能量處理能力。有源箝制由於具有上述特性，故經常在其他故 障保護動作之前執行。設計人員必須確保器件能夠吸收在最壞情況下所有可能的電感能量。