完全自保護MOSFET功率器件分析

　　為了提高系統(tǒng)可靠性并降低保修成本，設(shè)計人員在功率器件中加入故障保護電路，以免器件發(fā)生故障，避免對電子系統(tǒng)造成高代價的損害。這通常利用外部傳感器、分立電路和軟件來實現(xiàn)，但是在更多情況下，設(shè)計人員使用完全自保護的MOSFET功率器件來完成。

　　圖1顯示了完全自保護MOSFET的一般拓撲結(jié)構(gòu)。這些器件常見的其他特性包括狀態(tài)指示、數(shù)字輸入、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(shù)器件都具備三個電路模塊，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。

　　圖1：完全自保護MOSFET的一般拓撲結(jié)構(gòu)。

　　短路故障

　　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(guān)間的短路或電源接地的短路。而且，這些短路器件啟動和關(guān)閉時都會發(fā)生。由于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。

　　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(chǎn)生一個反激(flyback)電壓。根據(jù)短路持續(xù)的時間和電阻，負載電感中的峰值電流可能會高于正常工作時的峰值電流。因此，器件比預(yù)期吸收更多的能量，而且多個間歇性短路事件的快速連續(xù)發(fā)生會導(dǎo)致峰值結(jié)溫急劇升高，從而對器件產(chǎn)生潛在的破壞性。

　　過溫故障

　　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(guān)引起的過壓，還有就是過熱。簡言之，ESD就是電荷的快速中和，電子工業(yè)每年花在這上面的費用有數(shù)十億美元之多。我們知道所有的物質(zhì)都由原子構(gòu)成，原子中有電子和質(zhì)子。當(dāng)物質(zhì)獲得或失去電子時，它將失去電平衡而變成帶負電或正電，正電荷或負電荷在材料表面上積累就會使物體帶上靜電。電荷積累通常因材料互相接觸分離而產(chǎn)生，也可由摩擦引起，稱為摩擦起電。

　　有許多因素會影響電荷的積累，包括接觸壓力、摩擦系數(shù)和分離速度等。靜電電荷會不斷積累，直到造成電荷產(chǎn)生的作用停止、電荷被泄放或者達到足夠的強度可以擊穿周圍物質(zhì)為止。電介質(zhì)被擊穿后，靜電電荷會很快得到平衡，這種電荷的快速中和就稱為靜電放電。由于在很小的電阻上快速泄放電壓，泄放電流會很大，可能超過20安培，如果這種放電通過集成電路或其他靜電敏感元件進行，這么大的電流將對設(shè)計為僅導(dǎo)通微安或毫安級電流的電路造成嚴(yán)重損害。

　　由于有源元件(MOSFET門極氧化物接口除外)已與門極輸入引腳連接，因此漏極與源極之間短路時，此引腳的泄漏電流(50-100uA)比標(biāo)準(zhǔn)MOSFET泄漏電流的測量值(《50nA)大三個數(shù)量級。泄漏電流的增加通常不會對門極驅(qū)動電路產(chǎn)生影響，但是，門極驅(qū)動電路必須能夠在電流限制或熱關(guān)機故障情況下驅(qū)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(jié)點電壓下拉至接近飽和的工作門限電壓或零伏，以完全關(guān)閉器件。

　　通常門極輸入引腳和功率MOSFET門極節(jié)點之間存在一個串聯(lián)電阻Rs，所以吸收的輸入電流大約等于(Vin-Vgate)/Rs.器件通常在結(jié)溫超過預(yù)設(shè)限制溫度時關(guān)閉。在這種情況下，Vgate=0伏，所以在過溫故障時必須產(chǎn)生一個等于Vin/Rs的最小源極電流。否則，內(nèi)部門極下拉電路將無法關(guān)閉功率場效應(yīng)管，使其結(jié)溫可能達到產(chǎn)生破壞作用的水平。

　　過溫保護

　　通常過溫保護是通過對主功率MOSFET有源區(qū)域的溫敏器件設(shè)置偏壓來實現(xiàn)的。若這些元件偵測到芯片結(jié)溫超過過溫設(shè)定值時，電路將主功率MOSFET門極拉至地，關(guān)閉該器件。圖2顯示安森美的NIF5022N器件短路電流和時間響應(yīng)之間的關(guān)系。在其它器件中，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(fù)位。

　　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(guān)斷電路通常與電流限制電路協(xié)同工作，即電流限制電路將門極節(jié)點驅(qū)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(shè)定點。對于采用熱滯后電路讓零件在過溫故障情況下循環(huán)導(dǎo)通和關(guān)閉的器件，結(jié)溫將穩(wěn)定在滯后電路高低設(shè)定點之間的溫度。一般來說，當(dāng)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。

　　圖2：NIF5022N器件短路電流和時間響應(yīng)之間的關(guān)系。

　　更切合實際的考慮是，當(dāng)應(yīng)用電路在故障情況下將門極輸入循環(huán)地打開并關(guān)閉，使結(jié)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(nèi)部熱循環(huán)，器件承受的熱循環(huán)數(shù)量有一定的限制。循環(huán)的次數(shù)與許多因素有關(guān)，包括結(jié)溫幅度差、溫度偵測布局和電路設(shè)計、硅結(jié)構(gòu)、封裝技術(shù)等。設(shè)計人員必須清楚應(yīng)用電路是否可以在短路或其他激發(fā)過溫保護故障情況下對受保護的MOSFET進行循環(huán)，然后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(dāng)過溫保護無效、隨后可能發(fā)生器件故障時器件的工作情況。當(dāng)關(guān)閉電感負載時，器件必須吸收存儲在負載電感中的能量。對于標(biāo)準(zhǔn)的MOSFET，這種工作模式稱為非箝制感應(yīng)開關(guān)(UIS)。在UIS事故中，器件的漏-源硅結(jié)處于雪崩狀態(tài)，器件產(chǎn)生大量功耗。自保護的MOSFET可能遭受同樣的情況，因為當(dāng)門極輸入電壓對控制電路進行偏置時，由于門極偏置為零，過溫限制電路處于無效狀態(tài)。即使出現(xiàn)最高能量額定值，能量脈沖之間必須有足夠的時間讓結(jié)溫冷卻到初始結(jié)溫。否則，結(jié)溫在每個能量脈沖之后升高，最終達到內(nèi)部故障溫度。

　　若過溫限制電路在電感負載關(guān)閉的情況下偏置，由于大多數(shù)自保護MOSFET采用有源過壓箝制，過溫保護可能仍處于無效狀態(tài)。有源箝制電路中的關(guān)鍵元件是位于主功率MOSFET門極和漏極連接之間的背靠背串聯(lián)齊納二極管。以此種狀態(tài)堆棧的齊納二極管的設(shè)計電壓小于主功率MOSFET漏-源結(jié)的雪崩電壓。在主功率MOSFET門極產(chǎn)生接近閾值的電壓，使MOSFET以正激線性工作模式傳導(dǎo)負載電流。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。有源箝制由于具有上述特性，故經(jīng)常在其它故障保護動作之前執(zhí)行。設(shè)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。