詳細介紹如何運用MOSFET實(shí)現完美安全系統

汽車(chē)上許多組建的多元應用，從車(chē)上的燈泡到繼電器、從LED顯示照明到啟動(dòng)馬達，不僅提供了各式各樣的高負載型、低成本效益的解決方案，也兼具了注重安全性汽車(chē)所必須的通訊和診斷能力。因此，設計人員為了增加車(chē)上電子系統的可靠性和耐久性，除了降低維修成本，避免組建發(fā)生故障，降低電子系統所造成的傷害，他們還在功率器件中加入故障保護電路。

另外，在一般汽車(chē)行駛的情況下，一旦出現了車(chē)上的組件出現故障狀況，將導致汽車(chē)上的電路系統發(fā)生短路，或電源無(wú)法供電。在遠程傳感器中采用車(chē)用金屬氧化半導體場(chǎng)效晶體管(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor;以下簡(jiǎn)稱(chēng)MOSFET)組件技術(shù)后，將能適時(shí)地保護發(fā)生故障的組件，或者在汽車(chē)線(xiàn)束及故障組件之間形成一個(gè)很高的阻抗，降低故障的發(fā)生率。

車(chē)用MOSFET組件與自我保護技術(shù)

在某種程度上，新車(chē)型的設計以來(lái)電子電路的設計，以降低成本、提高可靠性和豐富功能。另一方面，隨著(zhù)電氣和電子系統不斷增加，以及其占用大部分汽車(chē)成本和重量的情況，該設計使電路保護設計成為設計工作中的關(guān)鍵。所以，一般汽車(chē)組建的設計工程師為了汽車(chē)商組件適用性的問(wèn)題，大部分都會(huì )使用外部傳感器、分立電路或者軟件來(lái)應用。但是隨著(zhù)技術(shù)持續發(fā)展，MOSFET除了具有高頻率性能、輸入阻抗高、驅動(dòng)功率小、熱穩定性?xún)?yōu)良等優(yōu)點(diǎn)之外，還能使功率組件更能夠符合最低的系統成本，可歸類(lèi)在多載式導電的單極型電壓控制組件中。因此，很多設計人員都會(huì )采用MOSFET這類(lèi)具有保護作用的功率組件完成設計。

圖說(shuō)：一般的汽車(chē)電路系統架構，大致上可簡(jiǎn)單分為嵌入式與便利端口等兩種形式，而目前所使用的技術(shù)規范中，定義了MOSFET組件的技術(shù)規范。

在過(guò)去這幾年當中，在汽車(chē)內、外部安裝了電子設備，藉以控制汽車(chē)主體功能的汽車(chē)廠(chǎng)商持續地快速增加，使得車(chē)用半導體的應用數量也有顯著(zhù)的提升。而在復雜的車(chē)用電子系統中，幾乎所有使用的功率組件除了要能因應環(huán)境快速的變化之外，在面對到電子產(chǎn)品關(guān)閉瞬間電流，及負載切斷電源故障所引起的高壓變化時(shí)，能有其因應之道。

.

另外，還有一點(diǎn)就是當車(chē)內的環(huán)境工作溫度一旦超過(guò)100℃∼120℃的時(shí)候(如：引擎室、輪胎周?chē)?，很容易就會(huì )產(chǎn)生組件結溫的情形，進(jìn)而影響到組件的可靠度及其它可能發(fā)生故障的問(wèn)題。還有一個(gè)問(wèn)題就是車(chē)上復雜的線(xiàn)束問(wèn)題，在車(chē)用線(xiàn)束中有許多的連接器，因為汽車(chē)上有越來(lái)越大功率需求，即便是在一般的應用條件下，組件所要承受的壓力相對提高，也很有可能造成組件電氣連接發(fā)生間斷性的故障問(wèn)題。

為了滿(mǎn)足汽車(chē)更大的電流需求，順應目前潮流，汽車(chē)半導體廠(chǎng)商必須開(kāi)發(fā)電源MOSFET組件技術(shù)。為降低電流流動(dòng)時(shí)的電阻值，目前MOSFET在車(chē)用電子、電力系統中已經(jīng)有了越來(lái)越多的應用，這樣可以看出其重要性?，F階段，為了達到更有效率的能量利用率，以及最低成本的應用優(yōu)勢，除了滿(mǎn)足車(chē)上多變的應用環(huán)境外，還要順應國際組建標準需求，這樣才能進(jìn)一步符合汽車(chē)市場(chǎng)對于功率組建的要求。所以，在為汽車(chē)電子產(chǎn)品設計電力系統的同時(shí)，車(chē)用電子設計工程師除了適宜性、可靠性和耐久性等本身問(wèn)題外，還要面對各種各樣艱難的技術(shù)難關(guān)。

圖說(shuō)：隨著(zhù)電力需求的增加，提高了線(xiàn)束的復雜度，增加了對汽車(chē)的電線(xiàn)、重量以及封裝的限制。因此，每條電氣線(xiàn)路都要求針對短路和過(guò)載提供充足的電路保護措施，雖然，每個(gè)電氣負載論上都可采用自身專(zhuān)用的熔斷器進(jìn)行保護，但是熔斷器在熔斷后必須進(jìn)行更換。

汽車(chē)電子系統中還有哪些問(wèn)題尚待解決

◎車(chē)上系統的短路故障問(wèn)題

如果在車(chē)上電路系統組件之間，一旦發(fā)生了短路故障的情況，會(huì )使得MOSFET立即關(guān)閉，短路的電流會(huì )通過(guò)MOSFET周?chē)鷣?lái)進(jìn)行分流，很容易就能發(fā)現故障問(wèn)題的存在。不過(guò)，一旦電路系統的短路現象是屬于間歇性，或者負載為電感的情況下，電流停止時(shí)會(huì )在MOSFET上產(chǎn)生一個(gè)反激式電壓(Flyback)，來(lái)加以判斷負載電感中的峰值電流是否高于正常工作時(shí)的峰值電流。因此，組件所吸收的能量會(huì )比原先預期的還要多，而多個(gè)間歇性發(fā)生短路的情況，也會(huì )轉為連續而快速發(fā)生，進(jìn)而導致峰值結溫快速提高，容易對組件本身產(chǎn)生潛在性的破壞。

◎溫度過(guò)高也容易發(fā)生故障問(wèn)題

組件引腳的靜電放電(ESD)、線(xiàn)路瞬間電流，以及電感負載開(kāi)關(guān)產(chǎn)生壓力過(guò)高，另外就是過(guò)熱的問(wèn)題。在眾多設備中，一旦組件的溫度過(guò)熱就容易導致故障的發(fā)生，甚至是引起其它組件發(fā)生故障。就像電路系統的短路現象，容易使組件發(fā)生過(guò)高的功耗，或者是在極冷、極熱的環(huán)境條件下，使組件的散熱設備或電路板間的焊錫產(chǎn)生失效情況。在這么多可能導致故障的情況下，具自我保護MOSFET組件的控制電路，則是在一種安全模式來(lái)加以監測，甚至是控制組件工作情況，一旦組件臨時(shí)發(fā)生故障，還能立即修復并恢復到正常功能，甚至能夠進(jìn)一步降低汽車(chē)上的控制組件的體積尺寸，還具有提高可靠性，而在傳感器方面則具有自我故障診斷、工作狀態(tài)監測及溫度感測、過(guò)電壓以及過(guò)電流斷電的保護等功能。

圖說(shuō)：汽車(chē)電子的輸出系統在一般情況下也需要對由短路或電機堵轉所造成的過(guò)電流現象進(jìn)行自我保護，因此，MOSFET在設計上，采取高頻率性能、輸入阻抗高、驅動(dòng)功率小、熱穩定性?xún)?yōu)良的設計方式。

.

如何在溫度過(guò)高的情況下達到自我保護作用

在一般的汽車(chē)上，所使用的過(guò)溫保護組件，是利用對溫度較為敏感的組件，如：二極管的偏壓來(lái)加以實(shí)現。假設上述的這些組件監測到芯片結溫溫度超過(guò)當初所設定的數值，電路系統便會(huì )將具有主功率的MOSFET門(mén)極拉到接地，并在第一時(shí)間就關(guān)閉該組件，使其中的部份內置組件能暫停電流傳遞動(dòng)作，待芯片的溫度稍微下降到適當的溫度之后，才會(huì )導通電流至正常狀態(tài)。

當發(fā)生溫度過(guò)高的故障之后，有兩個(gè)主要問(wèn)題必須要解決。

第一、當設備持續地進(jìn)行作動(dòng)，使組件的溫度過(guò)高有可能會(huì )導致自我保護作用失效，發(fā)生組件故障的可能情況。這是因為關(guān)閉電感負載或變壓器負載的同時(shí)，其輸出的放大功率會(huì )因為頻率的不同，而產(chǎn)生差異與變化，此時(shí)的電路組件便會(huì )主動(dòng)吸收存儲在負載電感中的能量，這對于應用在汽車(chē)電子、電路系統的MOSFET標準組件系統來(lái)說(shuō)，是非常重要的。因為，一旦結溫超過(guò)內部所能承受的溫度，組件不再具有半導體特性，門(mén)極的控制動(dòng)作容易產(chǎn)生錯誤情況，除非漏極電源功率立即消失，否則當晶體管門(mén)極長(cháng)度縮短，會(huì )導致門(mén)限電壓(thresholdvoltage)因此而降低，進(jìn)而產(chǎn)生短通道效應(short-channeleffect)，將使得設備的電路組件受到破壞。

自保護的MOSFET可能遭受同樣的情況，因為當門(mén)極輸入電壓對控制電路進(jìn)行偏置時(shí)，由于門(mén)極偏置為零，過(guò)溫限制電路處于無(wú)效狀態(tài)。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(guò)最大額定值。另外，即使出現最高能量額定值，能量脈沖之間必須有足夠的時(shí)間讓結溫冷卻到初始結溫。否則，結溫在每個(gè)能量脈沖之后升高，最終達到內部故障溫度。

第二，當溫度限制開(kāi)關(guān)斷電路與電流限制電路一起協(xié)同運作時(shí)，有可能產(chǎn)生的高溫故障問(wèn)題。當電流產(chǎn)生限制電路時(shí)，將門(mén)極節點(diǎn)的電壓增加到閥值電壓的附近，同時(shí)迫使組件進(jìn)入工作模式的情況，并在不同的組件結構下，產(chǎn)生不同的參數值與分析的數據結果，如此便可保持電流限制的設定點(diǎn)隨時(shí)符合高電流及低功耗的特性，以滿(mǎn)足從機械形式進(jìn)展成機電形式的汽車(chē)電子系統。

對于采用熱滯后電路讓零件在過(guò)溫故障情況下循環(huán)導通和關(guān)閉的組件，結溫將穩定在滯后電路高低設定點(diǎn)之間的溫度。這與高溫可靠性測試類(lèi)似，都取決于組件在故障情況下的工作時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，當組件的可靠性下降變成一個(gè)受重視的問(wèn)題時(shí)，別指望在故障情況下該組件工作幾千小時(shí)或更長(cháng)時(shí)間。

圖說(shuō)：汽車(chē)電路架構的未來(lái)將以42VPowerNet供電網(wǎng)絡(luò )和過(guò)渡性雙電壓網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行轉變的戰略，為電氣和電子系統架構提供了許多革新的機會(huì )。

對汽車(chē)電力、電子設備的控制系統、故障自我偵測、訊號處理等，微機電也具有時(shí)代性的重要象征，在電源接口，也需要具有過(guò)電流的自我保護功能來(lái)戰線(xiàn)汽車(chē)電子陳葉體系所導入的電源標準，為防止各種類(lèi)型的故障發(fā)生，針對汽車(chē)電源的部分進(jìn)行保護。以防止各種類(lèi)型的故障發(fā)生。因此，在汽車(chē)上的應用，未來(lái)微機電還會(huì )持續發(fā)展，這包括電力技術(shù)等運用到汽車(chē)上的電力、微電子技術(shù)、和電子組建中，這樣更多而且適合用在汽車(chē)上的電力、電子組建自我保護系統才會(huì )被工程師們開(kāi)發(fā)出來(lái)。

車(chē)上的電流限制可以透過(guò)使用電阻、保險絲、開(kāi)關(guān)或MOSFET組件技術(shù)來(lái)加以實(shí)現。目前很少采用電阻保護方案，因為它會(huì )在正常電流狀態(tài)下產(chǎn)生過(guò)大的電壓降。有可能采用一次性保險絲方案，但是這種保護易于損壞，而且必須在產(chǎn)生故障后予以更換。雙金屬開(kāi)關(guān)的局限性在于它存在反復接通，并有可能導致觸點(diǎn)熔連故障。在很多汽車(chē)應用中，最好的保護方案為MOSFET組件技術(shù)，這種組件在正常工作狀態(tài)下呈現低阻抗，而在產(chǎn)生故障時(shí)呈現高阻抗;如此一來(lái)，便能使汽車(chē)電力自我保護系統呈現最佳化的狀態(tài)。

因為汽車(chē)在電源啟動(dòng)或關(guān)閉的過(guò)程中，很容易就會(huì )產(chǎn)生短路組件，這就導致了汽車(chē)上最常見(jiàn)并且是最麻煩的故障問(wèn)題就是汽車(chē)電路系統「短路」的故障問(wèn)題。也可以說(shuō)，大部分在汽車(chē)上產(chǎn)生的短路故障屬于間歇性，也就是說(shuō)，在短時(shí)間內有可能產(chǎn)生很多不同的狀況，但是現在就可以利用MOSFET組件來(lái)解決這類(lèi)電路系統短路問(wèn)題。