自保护MOSFET提高了汽车电子设备的可靠性

汽车行业需要具有成本效益且完全可靠的电气系统，但这种严酷且具有潜在破坏性的环境对控制现代车辆中常见的无数功能所需的功率半导体器件提出了巨大挑战。

如图 1所示，汽车电气设备可能会受到标称电池电压的极端变化的影响。由于负载瞬变和感应场衰减，这可能从 –12 Vdc（由反向连接产生）到 125 Vdc 不等。再加上极端的工作温度和大量互连，可能会因人为交互而造成 ESD 损坏，结果是比消费市场中的环境更具挑战性。

事实证明，标准 MOSFET 不够坚固，无法满足许多汽车应用的正常功率半导体要求。克服由电感尖峰和负载突降引起的瞬态，否则会破坏 MOSFET，要么需要更大且因此成本更高的 MOSFET，要么使用外部钳位来吸收能量，这显然增加了分立电源电路的复杂性设计。

图 1：汽车电池电压变化的来源。

自我保护 MOSFET 解决了这个问题，它在其单片电路拓扑中包含钳位和其他保护功能，为驱动继电器、LED 和其他电感负载提供更可靠、成本更低/更小的解决方案。    

继电器驱动

MOSFET 输出端的有源漏极钳位在开关继电器时特别有用，因为由于它们的电感特性，在停用继电器时会产生较大的瞬变，这些瞬变有可能破坏未受保护的 MOSFET。图 2 说明了在其输入端也具有 ESD 保护功能的自保护 MOSFET 如何解决这个问题。

MOSFET 栅极和漏极连接之间的背靠背齐纳堆栈是这种低侧有源钳位配置的关键组件。钳位电压由齐纳堆栈电压设置，设计为低于 MOSFET 漏源结的雪崩击穿电压，但足够高，不会在正常工作时触发。

图 2：低端有源过压钳位的等效电路。    

这意味着当 MOSFET 关闭时——即器件的输入接地——并且漏极引脚的电压上升到齐纳堆栈电压以上，电流将通过齐纳二极管和输入电阻流向地。然后，当 MOSFET 栅极产生的电压接近其阈值时，MOSFET 将开始导通并消耗负载电流。

这确保了由停用继电器产生的感应能量被在其正常有源区工作的功率 MOSFET 吸收，而不是在反向雪崩模式下更局部地耗散能量。由于钳位电压低于雪崩电压，因此 MOSFET 在钳位模式下消耗的瞬时功率比雪崩模式少，从而提供了更大的能量处理能力。    

灯驱动

为了帮助进一步应对瞬变，一些自我保护的 MOSFET 采用完全保护的拓扑结构，其中包含过热和过流保护电路。从图 3的框图中可以看出，这是对过压和 ESD 输入保护的补充。

图 3：更多集成的自我保护 MOSFET 可提供进一步的过流和过温保护。     

像这样的自我保护 MOSFET 使用温度传感器和热关断电路来防止过热。该电路在 MOSFET 开启时处于活动状态，一旦超过阈值温度（通常为 175°C）就会触发。这会关闭 MOSFET，中断电流以限制进一步的散热。一旦设备冷却约 10°C，内置迟滞通常会允许输出自动重新打开。

白炽灯在关闭时具有低电阻，当灯打开并加热时电阻会迅速增加。通过限流电路实现的过流保护不仅可以防止故障情况，还可以避免与灯的低导通电阻相关的高浪涌电流。电流限制电路检测到由于负载电流过大而导致的 MOSFET 漏源电压 (V DS ) 的大幅增加，并通过降低内部栅极驱动和限制漏电流 ( ID ) 来做出反应。此功能可保护 MOSFET 并延长灯的使用寿命。其行为如图4所示。

图 4：显示电流限制功能的典型输出特性。    

虽然这些保护电路是独立实现的，但它们通常会结合使用。例如，过流调节可以运行一段时间，但可能无法阻止温度最终达到启动过热循环的阈值。 

凭借其内置保护功能，自保护 MOSFET（例如 Diodes 的 DMN61D8LQ 或更全功能的 ZXMS6004FFQ）为各种汽车应用中的开关负载提供了具有成本效益的解决方案。它们的固有特性提高了系统可靠性，而 Diodes 的 SOT23 封装器件的小尺寸与替代解决方案相比可节省空间和成本。

　　审核编辑：汤梓红