车用MOSFET如何提高能量利用效率与质量可靠性 - 全文

　　工程师在为汽车电子设计电源系统时可能会遇到在设计任何电源应用时都会面临的挑战。因为功率器件MOSFET必须能够承受极为苛刻的环境条件。环境工作温度超过120℃会使器件的结点温度升高，从而引发可靠性和其它问题。在极端环境下（如引擎盖下面的汽车电子应用），温度的迅速上升会使MOSFET意外导通，致使阈值电压接近零伏。

　　此外，MOSFET还必须能够承受开关关闭瞬间和负载突降故障所导致的高压尖脉冲。电气配线中大量的接头（位于适当位置以方便装配和维修接线）也大幅增加了与器件的电气连接中断的可能性。汽车工业非常关注质量和可靠性，因此MOSFET必须符合国际公认的AEC Q101标准。

　　上述每个方面都非常重要。但还有另外一个挑战，即提供更高的能量利用效率。在过去的几年里，以电子方式控制的汽车功能所占比重急剧增长。因此，车内的半导体数量也不断增加。某些车辆的IC数量已超过100个。MOSFET必须能够满足为更多IC提供电力所带来的日益增长的能量要求。汽车子系统本身的发展也需要更多的能源。在轻型车辆中日益普及的电动转向系统和防抱死刹车系统就是两个很好的实例。总之，所有这些趋势都刺激了对可承载更大电流的IC的强烈需求。

　　为了满足对更大电流的需求，半导体公司必须开发出能够使导通电阻（电流流动时的电阻值）下降的功率MOSFET。与常规的MOSFET相比，采用沟槽（Trench）半导体制造工艺生产的MOSFET有助于将导通电阻值降低20%到40%。

　　但近几年，功率MOSFET技术领域的进步已经将单位硅片面积的导通电阻降至极低的水平，因此器件制造商现在必须寻找其它途径来改进他们的产品。这在采用高密度沟槽技术制造具有低漏极到源极电压的器件时尤其重要。保护是IC公司用来向他们的汽车客户提供性能优势的策略之一。

　　更多的MOSFET选择

　　时至今日，挑选MOSFET器件的汽车设计人员只有两种选择：1. 选择无保护策略的“简易型”PowerMOS；2. 选择可在环境条件超出规格时自动关断的带完全保护的器件。

　　不幸的是，具有附加逻辑电路和保护电路的完全保护器件也有弊端，即实现保护的成本太高。因此，领先的IC公司已在开发一种新型器件，以结合这两者各自的优点。

　　飞利浦半导体公司的TrenchPLUS系列产品就是一个很好的实例。TrenchPLUS将TrenchMOS技术和附加的功能完整地集成到芯片上。1996年开始采用的TrenchMOS生产工艺把功率MOSFET的导通电阻RDS（on）减小了一半。TrenchMOS与其它功能相结合的优势在于可以保护系统、节约空间，而且无需昂贵的智能功率器件。

　　TrenchPLUS技术

　　TrenchPLUS器件集成了板上温度和电流检测特性及附加的电阻和二极管（包括ESD保护）。TrenchPLUS解决方案有助于系统工程师创造出可以在工作过程中测量系统活动的设计，以改善安全性和优化性能。

　　图1显示了TrenchPLUS类型器件的典型元件集。

　　

　　图1：TrenchPLUS器件可能具有的附加功能

 

　　突出显示的元件组成一个特性板，可以将其中的功能集成到MOSFET中。这些元件从右上角开始按顺时针方向为：温度感应二极管、电流传感器、钳位二极管（内部二极管，未显示）和门电阻器。通过加入钳位二极管和门电阻器众所周知的保护特性，可以保护对电压敏感的栅氧化层免受危险电场的破坏。

　　为在过高的温度环境下保护器件，飞利浦在芯片表面集成了温度感应二极管。这样集成的理由是：只有直接测量结温方可确保及时检测到会导致危险的高的门电路温度。为准确测量电流，可以将电流传感器集成到场效应晶体管（FET）中。这样，就不再需要低阻抗分流电阻器了。

　　温度感应

　　直接测量芯片温度的常规解决方案是增加一个比较器和若干无源元件。但是，随着设计的日益完善，出现了更好的解决方案。TrenchPLUS使用微控制器取代了比较器和无源元件。

　　由于准确度对MOSFET的温度测量至关重要，所以，我们就从该角度来说明此解决方案。理论上，温度传感器的准确度取决于以下三个因素：

　　正向电压Vf的误差；

　　温度系数值Sf的误差；

　　基准电压Vfref的选择。

　　图2更清楚地显示了这三个因素的影响。

　　

　　图2：Ttrip随着Vf、Sf的变化而变化

　　从图中可以观察到Vf的内在变化给Ttrip增加了固定的偏移量。Sf的变化通过斜率的变化来表示。

　　温度系数太小可能导致器件在温度超过其最高工作温度时仍在工作，从而损害器件的寿命。反之，温度系数太高将导致在温度低于Ttrip时出现讨厌的错误关断。这两个因素都对采取的保护策略有影响。

　　为了计算总误差，应该将Vf和Sf的误差求和。请注意，如果测量Vf.的室温值，则器件的准确度将会翻一倍。可以通过调整Vfref来消除Vf的误差，从而只剩下与斜率相关的误差。可以用于实现此目的的最精确的技术就是获得每个器件的特性，但这对大多数产品线来说都不现实。

　　电流感应

　　无需使用低于1欧姆的精密功率电阻测量MOSFET内部电流的现实方法就是电流感应。即使低于1欧姆的分流电阻器也会产生大量的热损耗，影响到能量效率和整个系统的热平衡。

　　在电流感应中，将MOSFET单元的一小部分用于电流测量。由于器件中的所有单元都完全相同并且漏电流在这些单元之间平均分配，因此，可以通过测量一小部分单元的电流，再乘以已知的比例系数来计算总的漏电流。

　　飞利浦的7脚D2PAK用于将温度感应元件和电流感应元件连接起来。从主FET器件流向感应FET器件的电流比例称为“感应比例”（用n表示）。通过将测量终端和源终端保持在相同电压来定义此参数。例如，在飞利浦的TrenchPLUS器件中，此比例标称值为550。可以更改此比例以符合客户的具体要求。为了获得最高的准确度，包括有些设计人员在内，都会采用虚拟接地法而不是感应电阻法。但是，对于汽车应用而言，感应电阻法提供的解决方案成本更低，因此更适合汽车应用的要求。

　　感应电阻法

　　如上所述，可以在感应输出和开尔文源之间连接感应电阻器Rs，以便精确地测量电流。此方法提供简单的电流到电压的转换，而且该转换值可直接由微控制器的模数输入读取。


 

　　感应电阻器上的电压不能大于主器件上的电压，不过，可能需要一个运算放大器将信号放大到更适合的电平。此配置如图3所示。

　　

　　图3：感应电阻器电流测量电路

　　只要运算放大器的共模范围包括地，那么此电路就不需要负电源。

　　几何感应比例n为：

　　

　　其中，RDM（on）是感应FET导通电阻，等于主FET导通电阻减去源引线电阻。

　　附加的感应电阻器增加有效感应比例，因此该值变为n‘’‘’，计算公式为：

　　

　　值得注意的是，感应信号包含开关时的错误峰值。这些错误峰值的起因是线性和完全增强的工作区域中的电流比例的差别，而且与电路有关。公式2表明，此电路中有两大误差源：

　　制造过程中n固有的误差；

　　与主FET和感应FET的温度有关。在25°C和150°C之间，功率MOSFET开启时的导通电阻大约增加一倍。

　　另一方面，感应电阻器与温度无关。因此可以看出，采用此方法时，1. 感应比例与温度有关；2. 其误差大于采用虚拟接地电路的误差。

　　封装方式

　　谈论MOSFET时不能不探讨封装方式，这对于汽车应用来说尤其重要。尽管D2PAK是采用TrenchPLUS器件的原始封装，但现在有了体积更小、热效率更高的封装形式。

　　飞利浦的SOT669 LFPAK可以从SO8的紧凑封装面积中提供更高的散热性能。其内部结构克服了SO8的限制。其热阻可以与比其更大的封装相提并论，这有助于维持尽可能低的操作温度。LFPAK外形非常小巧——厚度仅为1.1mm，比SO8薄40%。这种创新的内部结构使其电感远远低于其它封装。

　　40V HPA LFPAK封装具有SO8体积小巧的优势，同时有更大封装（如DPAK）所具有的卓越热性能。在传统的功率封装中，主要的散热路径是从装配点垂直向下并进入PCB。但是，LFPAK还通过源导线向上和向外传导大量热量，使其热阻远远低于SO8，甚至可以与大得多的封装（如DPAK和D2PAK）相比。

　　本文小结

　　汽车电子设计工程师在其powerMOS设计中采用附加的传感器有诸多好处。通过获取有关芯片本地温度/电流的信息，设计人员可以节约空间并降低系统成本。并可以在实现这一目标的同时，推进设计的范围。通常情况下需要在成本和性能间进行折衷，而采用这种器件则无需这种考虑。

　　这种器件填补了简易MOS和完全保护器件之间的空白，非常适合于各种应用，包括从汽车环境中的电动辅助转向（EPAS）系统到主板的DC/DC转换器。