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)計電源系統(tǒng)時可能會遇到在設(shè)計任何電源應(yīng)用時都會面臨的挑戰(zhàn)。因為功率器件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120℃會使器件的結(jié)點溫度升高，從而引發(fā)可靠性和其它問題。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必須符合國際公認的AEC Q101標(biāo)準。

上述每個方面都非常重要。但還有另外一個挑戰(zhàn)，即提供更高的能量利用效率。在過去的幾年里，以電子方式控制的汽車功能所占比重急劇增長。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100個。MOSFET必須能夠滿足為更多IC提供電力所帶來的日益增長的能量要求。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轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和防抱死剎車系統(tǒng)就是兩個很好的實例?？傊?，所有這些趨勢都刺激了對可承載更大電流的IC的強烈需求。

為了滿足對更大電流的需求，半導(dǎo)體公司必須開發(fā)出能夠使導(dǎo)通電阻（電流流動時的電阻值）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改進他們的產(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尤其重要。保護是IC公司用來向他們的汽車客戶提供性能優(yōu)勢的策略之一。

更多的MOSFET選擇

時至今日，挑選MOSFET器件的汽車設(shè)計人員只有兩種選擇：1. 選擇無保護策略的“簡易型”PowerMOS；2. 選擇可在環(huán)境條件超出規(guī)格時自動關(guān)斷的帶完全保護的器件。

不幸的是，具有附加邏輯電路和保護電路的完全保護器件也有弊端，即實現(xiàn)保護的成本太高。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。

飛利浦半導(dǎo)體公司的TrenchPLUS系列產(chǎn)品就是一個很好的實例。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)勢在于可以保護系統(tǒng)、節(jié)約空間，而且無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特性及附加的電阻和二極管（包括ESD保護）。TrenchPLUS解決方案有助于系統(tǒng)工程師創(chuàng)造出可以在工作過程中測量系統(tǒng)活動的設(shè)計，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針方向為：溫度感應(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。通過加入鉗位二極管和門電阻器眾所周知的保護特性，可以保護對電壓敏感的柵氧化層免受危險電場的破壞。

為在過高的溫度環(huán)境下保護器件，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：只有直接測量結(jié)溫方可確保及時檢測到會導(dǎo)致危險的高的門電路溫度。為準確測量電流，可以將電流傳感器集成到場效應(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)

直接測量芯片溫度的常規(guī)解決方案是增加一個比較器和若干無源元件。但是，隨著設(shè)計的日益完善，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源元件。

由于準確度對MOSFET的溫度測量至關(guān)重要，所以，我們就從該角度來說明此解決方案。理論上，溫度傳感器的準確度取決于以下三個因素：

正向電壓Vf的誤差；

溫度系數(shù)值Sf的誤差；

基準電壓Vfref的選擇。

圖2更清楚地顯示了這三個因素的影響。

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的變化通過斜率的變化來表示。

溫度系數(shù)太小可能導(dǎo)致器件在溫度超過其最高工作溫度時仍在工作，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時出現(xiàn)討厭的錯誤關(guān)斷。這兩個因素都對采取的保護策略有影響。

為了計算總誤差，應(yīng)該將Vf和Sf的誤差求和。請注意，如果測量Vf.的室溫值，則器件的準確度將會翻一倍?？梢酝ㄟ^調(diào)整Vfref來消除Vf的誤差，從而只剩下與斜率相關(guān)的誤差?？梢杂糜趯崿F(xiàn)此目的的最精確的技術(shù)就是獲得每個器件的特性，但這對大多數(shù)產(chǎn)品線來說都不現(xiàn)實。