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自我保護型 MOSFET提供高可靠性
在汽車應用的嚴苛環境
[作者 Ian Moulding]   2017年09月18日 星期一 瀏覽人次: [2582]


汽車電子環境非常嚴苛!如圖一所示,由於負載瞬態和感應場衰變,汽車的額定電池電壓可在 -12V DC (在反向電池狀態) 下變化為 125V DC。加上作業溫度、各種互連及開放環境等多種變化,容易受到來自與人類互動而可能產生的 ESD 損害,而且作業環境所面對的挑戰性遠比消費性市場來得更高。



圖一 :  汽車電池電壓產生變化的原因
圖一 : 汽車電池電壓產生變化的原因

汽車業需要具有成本效益與完全可靠的解決方案,但這種潛在的破壞性環境,對現代汽車常見的大量控制功能所需的功率半導體裝置帶來巨大的挑戰。


標準 MOSFET 等功率半導體已被證實其堅固程度不符合許多的汽車應用所需。感應突波與負載突降需要更大 MOSFET 或外部箝位來吸收能量的瞬態,否則將會破壞 MOSFET。這兩種選項都會增加成本與獨立設計的複雜性。


自我保護型 MOSFET可透過結合箝位與其他保護功能的單片電路拓撲以解決此問題,為驅動繼電器、LED 及其他電感負載提供更可靠且更低成本、更小尺寸的解決方案。


繼電驅動

Diodes 公司的 DMN61D8LQ 是採用 SOT23 封裝的箝位拓撲自我保護型 MOSFET,並已進行最佳化以符合驅動汽車繼電器的成本與效能需求。它在輸入部分具備 ESD 保護功能,並且在輸出部分具備主動汲極箝位功能。後者由於其電感特性,在切換繼電器時特別有用,因為在停用繼電器時會產生較大的瞬態,而這些瞬態有可能破壞未受保護的 MOSFET。


圖二所示的背對背齊納堆疊位於 MOSFET 的閘極與汲極連線之間,是此低側、主動箝位組態的主要元件。箝位電壓由齊納堆疊電壓設定,其設計為小於 MOSFET 汲極至源極接面的突崩崩潰電壓,同時也夠高而不會在正常運作中被觸發。



圖二 :  低側主動過電壓箝位的等效電路
圖二 : 低側主動過電壓箝位的等效電路

這意味著當 MOSFET 關閉時,即裝置的輸入已接地,汲極腳位的電壓將上升至高於齊納堆疊電壓,電流將經由齊納與輸入電阻器而流至接地。然後,隨著 MOSFET 閘極產生的最終電壓接近閾值,MOSFET 將開始導通並耗用負載電流。


如此可確保由停用繼電器產生的電感能量,可由在正常作用區中運作的功率 MOSFET 吸收,而非以反向突崩模式在本機耗散更多能量。同時,由於箝位電壓低於突崩電壓,MOSFET 在箝位模式下消耗的功率小於突崩模式,因此可提供更高的能量處理能力。


燈具驅動

為了進一步因應瞬態,自我保護型 MOSFET (以 Diodes 公司的 ZXMS6004FFQ為例) 採用完整保護的拓撲,包括過熱保護及過電流保護電路。如圖三的方塊圖所示,其中已加入過電壓與 ESD 輸入保護。此裝置採用小尺寸 SOT23 封裝,比同類 SOT223 封裝的零件小 6 倍。



圖三 :  Diodes ZXMS6004FFQ MOSFET 的自我保護功能
圖三 : Diodes ZXMS6004FFQ MOSFET 的自我保護功能

這款自我保護型 MOSFET 利用溫度感測器與熱關機電路提供保護,以避免過熱。此電路在 MOSFET 開啟時為主動,並且會在超過臨界溫度 (通常為攝氏175度) 時觸發。此時會關閉 MOSFET,中斷電流以限制進一步散熱。內建遲滯可讓輸出在裝置冷卻約攝氏10度後自動恢復。


白熾燈關閉時電阻較低,當開燈後電阻會快速增加,溫度也會上升。透過限流電路提供的過電流保護不僅可提供保護以避免故障,並可避免與燈具低導通電阻相關的高湧浪電流。限流電路可偵測因過載電流而產生的 MOSFET 汲源電壓 (VDS) 大幅增加,並藉由降低內部閘極驅動及限制汲極電流 (ID) 進行因應。此功能可保護 MOSFET 並延長燈具壽命,其特性如圖四所示。



圖四 :  典型的輸出特性顯示限流功能
圖四 : 典型的輸出特性顯示限流功能

雖然上述保護電路皆獨立實作,但它們亦可結合並正常運作。例如,透過電流調節可以運作一段時間,但可能無法阻止溫度最終達到進入過熱循環的閾值。藉由其內建保護功能,自我保護型 MOSFET 可為各種汽車應用的開關負載提供具有成本效益的解決方案。


(作者Ian Moulding為Diodes公司汽車行銷經理)


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