能使導通電阻下降的功率MOSFET相關(guān)情況解析方案

工程師在為汽車(chē)電子設計電源系統時(shí)可能會(huì )遇到在設計任何電源應用時(shí)都會(huì )面臨的挑戰。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(guò)120℃會(huì )使器件的結點(diǎn)溫度升高，從而引發(fā)可靠性和其它問(wèn)題。在極端環(huán)境下(如引擎蓋下面的汽車(chē)電子應用)，溫度的迅速上升會(huì )使MOSFET意外導通，致使閾值電壓接近零伏。

此外，MOSFET還必須能夠承受開(kāi)關(guān)關(guān)閉瞬間和負載突降故障所導致的高壓尖脈沖。電氣配線(xiàn)中大量的接頭(位于適當位置以方便裝配和維修接線(xiàn))也大幅增加了與器件的電氣連接中斷的可能性。汽車(chē)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標準。

上述每個(gè)方面都非常重要。但還有另外一個(gè)挑戰，即提供更高的能量利用效率。在過(guò)去的幾年里，以電子方式控制的汽車(chē)功能所占比重急劇增長(cháng)。因此，車(chē)內的半導體數量也不斷增加。某些車(chē)輛的IC數量已超過(guò)100個(gè)。MOSFET必須能夠滿(mǎn)足為更多IC提供電力所帶來(lái)的日益增長(cháng)的能量要求。汽車(chē)子系統本身的發(fā)展也需要更多的能源。在輕型車(chē)輛中日益普及的電動(dòng)轉向系統和防抱死剎車(chē)系統就是兩個(gè)很好的實(shí)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(mǎn)足對更大電流的需求，半導體公司必須開(kāi)發(fā)出能夠使導通電阻(電流流動(dòng)時(shí)的電阻值)下降的功率MOSFET。與常規的MOSFET相比，采用溝槽(Trench)半導體制造工藝生產(chǎn)的MOSFET有助于將導通電阻值降低20%到40%。

但近幾年，功率MOSFET技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步已經(jīng)將單位硅片面積的導通電阻降至極低的水平，因此器件制造商現在必須尋找其它途徑來(lái)改進(jìn)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(shí)尤其重要。保護是IC公司用來(lái)向他們的汽車(chē)客戶(hù)提供性能優(yōu)勢的策略之一。

更多的MOSFET選擇

時(shí)至今日，挑選MOSFET器件的汽車(chē)設計人員只有兩種選擇：1. 選擇無(wú)保護策略的“簡(jiǎn)易型”PowerMOS;2. 選擇可在環(huán)境條件超出規格時(shí)自動(dòng)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(shí)現保護的成本太高。因此，領(lǐng)先的IC公司已在開(kāi)發(fā)一種新型器件，以結合這兩者各自的優(yōu)點(diǎn)。

飛利浦半導體公司的TrenchPLUS系列產(chǎn)品就是一個(gè)很好的實(shí)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(kāi)始采用的TrenchMOS生產(chǎn)工藝把功率MOSFET的導通電阻RDS(on)減小了一半。TrenchMOS與其它功能相結合的優(yōu)勢在于可以保護系統、節約空間，而且無(wú)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工程師創(chuàng )造出可以在工作過(guò)程中測量系統活動(dòng)的設計，以改善安全性和優(yōu)化性能。

圖1顯示了TrenchPLUS類(lèi)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(gè)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(kāi)始按順時(shí)針?lè )较驗椋簻囟雀袘O管、電流傳感器、鉗位二極管(內部二極管，未顯示)和門(mén)電阻器。通過(guò)加入鉗位二極管和門(mén)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(chǎng)的破壞。

為在過(guò)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二極管。這樣集成的理由是：只有直接測量結溫方可確保及時(shí)檢測到會(huì )導致危險的高的門(mén)電路溫度。為準確測量電流，可以將電流傳感器集成到場(chǎng)效應晶體管(FET)中。這樣，就不再需要低阻抗分流電阻器了。

溫度感應

直接測量芯片溫度的常規解決方案是增加一個(gè)比較器和若干無(wú)源元件。但是，隨著(zhù)設計的日益完善，出現了更好的解決方案。TrenchPLUS使用微控制器取代了比較器和無(wú)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(lái)說(shuō)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(gè)因素：

正向電壓Vf的誤差;

溫度系數值Sf的誤差;

基準電壓Vfref的選擇。