為功率MOSFET增加自動(dòng)防故障擊穿保護

　　MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)元件廣泛應用于調節器和馬達控制器。在各種H橋配置中，它們不僅可是分立器件也可集成到IC。

　　一般采用一個(gè)高側(HS)功率MOSFET，M1和一個(gè)低側(LS)MOSFET，M2的配置來(lái)驅動(dòng)電感負載(圖1)。當HS FET開(kāi)啟，LS FET關(guān)閉時(shí)，從電源VCC出來(lái)的電流經(jīng)電感L0流出。當HS FET關(guān)閉，LS FET開(kāi)啟時(shí)，電感電流繼續同時(shí)從零點(diǎn)流入L0。

　　當HS和LS功率FET同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，會(huì )發(fā)生所謂擊穿的嚴重短路的情況。即使我們從未打算同時(shí)開(kāi)啟兩個(gè)FET，也可能發(fā)生擊穿。例如，當指令開(kāi)啟HS FET，關(guān)閉LS FET時(shí)，邏輯傳播延遲，當HS FET半開(kāi)啟，LS FET半關(guān)閉時(shí)，給FET的門(mén)電容充電或放電需要一個(gè)較短的時(shí)間。如果這樣，電流直接從VCC經(jīng)過(guò)兩個(gè)FET流入GND(擊穿)。

　　圖1中，將我們?yōu)樽詣?dòng)防故障MOSFET擊穿保護所做的設計嵌入到半H橋拓撲。HS_ON信號通過(guò)HS驅動(dòng)器開(kāi)啟和關(guān)閉HS FET，它是由一個(gè)數字微控制器或由一個(gè)含有比較器或錯誤放大器的反饋回路產(chǎn)生的。

　　HS驅動(dòng)器將低功率邏輯水平信號轉化為高功率HS_ON信號。同樣，LS_ON信號通過(guò)LS驅動(dòng)器開(kāi)啟和關(guān)閉LS FET。電路通過(guò)使兩個(gè)功率MOSFET具有正確的順序，來(lái)控制馬達系統或者三相調節器。

　　該保護配置自動(dòng)檢測到HS和LS FET的傳導狀態(tài)。除非LS器件完全關(guān)閉，HS FET禁止開(kāi)啟，反之亦然。我們的反擊穿設計在正常工作過(guò)程中充分保護了MOSFET H橋，在系統中有多個(gè)噪聲干擾或者錯誤控制程序的情況下，保證了自動(dòng)防故障的運行。

　　為了開(kāi)啟HS FET，系統將信號HS_ON設為高值。這個(gè)設計是這樣的：如果LS FET關(guān)閉(在此后更久)，HS_EN為高值。HS_ON高值致使鎖LSR0裝置的輸出端QZ(LS_EN)為低值，使得LS FET不工作。同樣應這種HS_ON的要求，HS驅動(dòng)器通過(guò)用電壓穿過(guò)HS FET的門(mén)和源極(VGS)來(lái)開(kāi)啟它。

　　通過(guò)HS VGS監測器來(lái)檢測HS FET的開(kāi)啟狀態(tài)，所以HS_IS_ON的信號探測到是高值，LS_EN_RST保持為低值。最終結果是LS_EN保持低值，而不允許開(kāi)啟LS FET。只要HS FET開(kāi)啟，LS FET就不可以運行。為了使該配置運行，HS_ON必須用于NOR門(mén)(NOR0)輸入。這也確保只要HS_ON為高值時(shí)，LS_EN就得保持低值。

　　正常條件下，當準備開(kāi)啟或已開(kāi)啟HS FET時(shí)，HS_ON 和 HS_IS_ON足夠保持LS FET關(guān)閉。實(shí)際應用中，噪聲干擾(或系統錯誤)的出現常常會(huì )在控制信號中產(chǎn)生小故障，由于驅動(dòng)器和VGS監測器(邏輯型)的有限響應時(shí)間，使得HS_IS_ON不可靠(VGS監測器失效)。在這種情況下，LS_EN_BLANK保證了自動(dòng)防故障的運行，如下所述。

　　每次HS_ON從低值轉為高值時(shí)，一個(gè)邊緣探測器(R0, C3, AND4)產(chǎn)生了一個(gè)短時(shí)間的20-ns的脈沖來(lái)開(kāi)啟M0，開(kāi)始一個(gè)脈沖周期(M0, C2, INV0)，輸出一個(gè)150-ns的 LS_EN_BLANK脈沖來(lái)使LS_EN在低值保持150ns。在這個(gè)150ns中，任何企圖開(kāi)啟LS FET的操作都是反常的不安全的操作。因此，LS FET穩定地保持關(guān)閉。I3UA是一個(gè)給C2充電的3-?A的電流源。由于20ns的短觸發(fā)脈沖，150ns過(guò)后是再次觸發(fā)。這確保即使在HS_ON線(xiàn)上出現多干擾小故障的情況下，該保護電路能正常運行。

　　躍然我們這里以150ns為例，一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)脈沖周期必須長(cháng)于HS VGS監測器和HS驅動(dòng)器，包括所有寄生元件貢獻的總信號傳播延遲。但是這一周期的長(cháng)度要短于正常的HS_ON脈沖寬度，以避免干擾正常運行。為了系統的穩定性，用鎖LSR0作為低通濾波器來(lái)過(guò)濾控制回路中的噪聲。

　　在圖2中，信號的第一欄(左邊)表示正常運行。信號名對應圖1。當HS_ON走高，命令驅動(dòng)器開(kāi)啟HS FET時(shí)，HS_FET_G-HS_FET_S升高。監測電路探測到后，正確地顯示HS_IS_ON從而關(guān)閉LS FET(LS_EN為低值)，直到HS FET完全關(guān)閉之后(HS_FET_G-HS_FET_S 接近零)。

　　信號的第二欄(右邊)表示反常運行。當HS_ON指令由于噪聲或固件失靈而過(guò)早停止時(shí)，HS FET處于半開(kāi)狀態(tài)。HS監測器不能探測到這個(gè)HS FET處于開(kāi)啟狀態(tài)，因為它的有限響應時(shí)間，所以它錯誤地顯示HS_IS_ON為低值。沒(méi)有LS_EN_ BLANK，LS_EN信號將會(huì )變高，允許系統在HS FET仍半開(kāi)時(shí)開(kāi)啟LS FET。由于LS_EN_ BLANK脈沖，LS_EN保持150ns的低值，允許HS FET門(mén)電壓在LS_EN成為高值之間設為低值。結果避免了擊穿。

　　出于簡(jiǎn)單，圖1省去了驅動(dòng)HS_EN的電路塊。簡(jiǎn)單地采用相同的電路發(fā)出LS_EN信號監測LS_FET_G，以及LS_ON信號產(chǎn)生HS_EN信號。