汽車(chē)電子系統使用自保護MOSFET需考慮的因素

采用自保護MOSFET可以設計出高性?xún)r(jià)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(shí)存在。只有在系統設計時(shí)仔細考慮這些因素，才可以設計出高性?xún)r(jià)比而可靠的系統。

汽車(chē)電子系統中使用的功率器件必須能抵受極為嚴峻環(huán)境的考驗：它們必須能承受關(guān)閉瞬流和負載切斷電源故障引起的高壓毛刺；若環(huán)境工作溫度超過(guò)120℃，器件結溫則將隨之而來(lái)升高；線(xiàn)束中的眾多連接器位于方便組裝和維修的位置，這可能造成器件電氣連接的間斷。由于新的負載需要的功率越來(lái)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并降低保修成本，設計人員在功率器件中加入故障保護電路，以免器件發(fā)生故障，避免對電子系統造成高代價(jià)的損害。這通常利用外部傳感器、分立電路和軟件來(lái)實(shí)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(lái)完成。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，MOSFET功率器件能夠以更低的系統成本提供優(yōu)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(jiàn)的其他特性包括狀態(tài)指示、數字輸入、差分輸入和過(guò)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(gè)電路模塊，即電流限制、溫度限制和漏-源過(guò)壓箝制，為器件提供大部分的保護。

圖1：完全自保護MOSFET的一般拓撲結構

短路故障

最常見(jiàn)也最麻煩的故障可能是短路。這類(lèi)故障有以下幾種形式：負載間的短路、開(kāi)關(guān)間的短路或電源接地的短路。而且，這些短路器件啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)都會(huì )發(fā)生。由于短路故障通常是間歇性，即使在很短時(shí)間中就存在多種形式，使問(wèn)題更為棘手。例如，在器件之間發(fā)生短路而MOSFET關(guān)閉的情況下，電流通過(guò)短路向MOSFET周?chē)至鳌?

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(gè)反激(flyback)電壓。根據短路持續的時(shí)間和電阻，負載電感中的峰值電流可能會(huì )高于正常工作時(shí)的峰值電流。因此，器件比預期吸收更多的能量，而且多個(gè)間歇性短路事件的快速連續發(fā)生會(huì )導致峰值結溫急劇升高，從而對器件產(chǎn)生潛在的破壞性。

過(guò)溫故障

其他故障包括器件引腳的靜電放電(ESD)、線(xiàn)路瞬流或電感負載開(kāi)關(guān)引起的過(guò)壓，還有就是過(guò)熱。過(guò)溫故障通常由其他故障引起，如短路便會(huì )快速增加器件的功耗，也可能由極端環(huán)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(chǎn)品的控制電路以一種安全模式來(lái)檢測并控制器件工作，使器件在故障修復后可以恢復正常功能。

由于有源元件(MOSFET門(mén)極氧化物接口除外)已與門(mén)極輸入引腳連接，因此漏極與源極之間短路時(shí)，此引腳的泄漏電流(50-100uA)比標準MOSFET泄漏電流的測量值( 50nA)大三個(gè)數量級。泄漏電流的增加通常不會(huì )對門(mén)極驅動(dòng)電路產(chǎn)生影響，但是，門(mén)極驅動(dòng)電路必須能夠在電流限制或熱關(guān)機故障情況下驅動(dòng)足夠大的電流。在過(guò)流和過(guò)溫故障的情況下，器件一般將功率MOSFET門(mén)極節點(diǎn)電壓下拉至接近飽和的工作門(mén)限電壓或零伏，以完全關(guān)閉器件。