汽车电子系统使用自保护MOSFET需考虑的因素

　　采用自保护MOSFET可以设计出高性价比的容错系统，但损害或毁坏自保护MOSFET器件的工作情况确实存在。只有在系统设计时仔细考虑这些因素，才可以设计出高性价比而可靠的系统。

　　系统中使用的功率器件必须能抵受极为严峻环境的考验：它们必须能承受关闭瞬流和负载切断电源故障引起的高压毛刺；若环境工作温度超过120℃，器件结温则将随之而来升高；线束中的众多连接器位于方便组装和维修的位置，这可能造成器件电气连接的间断。由于新的负载需要的功率越来越大，所以即使在正常的条件下工作，器件承受的压力也明显加大。

　　为了提高系统可靠性并降低保修成本，设计人员在功率器件中加入故障保护电路，以免器件发生故障，避免对电子系统造成高代价的损害。这通常利用外部传感器、分立电路和软件来实现，但是在更多情况下，设计人员使用完全自保护的MOSFET功率器件来完成。随着技术的发展，MOSFET功率器件能够以更低的系统成本提供优异的故障保护。

　　图1显示了完全自保护MOSFET的一般拓扑结构。这些器件常见的其他特性包括状态指示、数字输入、差分输入和过压及欠压切断。高端配置包括片上电荷泵功能。但是，大多数器件都具备三个电路模块，即电流限制、温度限制和漏-源过压箝制，为器件提供大部分的保护。

　　

　　图1：完全自保护MOSFET的一般拓扑结构

　　短路故障

　　最常见也最麻烦的故障可能是短路。这类故障有以下几种形式：负载间的短路、开关间的短路或电源接地的短路。而且，这些短路器件启动和关闭时都会发生。由于短路故障通常是间歇性，即使在很短时间中就存在多种形式，使问题更为棘手。例如，在器件之间发生短路而MOSFET关闭的情况下，电流通过短路向MOSFET周围分流。

　　然而，如果短路是间歇性、负载为电感的情况下，电流中断将在MOSFET上产生一个反激(flyback)电压。根据短路持续的时间和电阻，负载电感中的峰值电流可能会高于正常工作时的峰值电流。因此，器件比预期吸收更多的能量，而且多个间歇性短路事件的快速连续发生会导致峰值结温急剧升高，从而对器件产生潜在的破坏性。

　　过温故障

　　其他故障包括器件引脚的静电放电(ESD)、线路瞬流或电感负载开关引起的过压，还有就是过热。过温故障通常由其他故障引起，如短路便会快速增加器件的功耗，也可能由极端环境条件或热路径异常引起，如器件散热器和电路板之间的焊料失效。在诸多故障模式下，自保护MOSFET产品的控制电路以一种安全模式来检测并控制器件工作，使器件在故障修复后可以恢复正常功能。

　　由于有源元件(MOSFET门极氧化物接口除外)已与门极输入引脚连接，因此漏极与源极之间短路时，此引脚的泄漏电流(50-100uA)比标准MOSFET泄漏电流的测量值( < 50nA)大三个数量级。泄漏电流的增加通常不会对门极驱动电路产生影响，但是，门极驱动电路必须能够在电流限制或热关机故障情况下驱动足够大的电流。在过流和过温故障的情况下，器件一般将功率MOSFET门极节点电压下拉至接近饱和的工作门限电压或零伏，以完全关闭器件。

　　通常门极输入引脚和功率MOSFET门极节点之间存在一个串联电阻Rs，所以吸收的输入电流大约等于(Vin-Vgate)/Rs。器件通常在结温超过预设限制温度时关闭。在这种情况下，Vgate=0伏，所以在过温故障时必须产生一个等于Vin/Rs的最小源极电流。否则，内部门极下拉电路将无法关闭功率场效应管，使其结温可能达到产生破坏作用的水平。

　　过温保护

　　通常过温保护是通过对主功率MOSFET有源区域的温敏器件(一般为二极管)设置偏压来实现的。若这些元件侦测到芯片结温超过过温设定值时，电路将主功率MOSFET门极拉至地，关闭该器件。一些器件内置滞后电路，使器件可以在芯片结温稍微下降(一般下降10℃-20℃)后返回导通状态。图2显示安森美的NIF5022N器件短路电流和时间响应之间的关系。在其它器件中，若检测到过温故障情况，电流将锁存，而输入引脚必须固定对锁存进行复位。

　　

　　图2：NIF5022N器件短路电流和时间响应之间的关系

　　在过温故障情况下，必须考虑两个主要问题。首先，温度限制关断电路通常与电流限制电路协同工作，即电流限制电路将门极节点驱动至接近阈值电压来使器件进入饱和工作模式，以便保持电流限制设定点。在负载间短路的情况下，这意味着在通过高电流时，功率MOSFET上的压降接近电源电压。这种高功率情况很快地引起过温故障。对于采用热滞后电路让零件在过温故障情况下循环导通和关闭的器件，结温将稳定在滞后电路高低设定点之间的温度。这与高温可靠性测试类似，都取决于器件在故障情况下的工作时间。一般来说，当器件的可靠性下降变成一个受重视的问题时，别指望在故障情况下该器件工作几千小时或更长时间。

　　更切合实际的考虑是，当应用电路在故障情况下将门极输入循环地打开并关闭，使结温可以在过温事件之间的这段时间中进行冷却。在这种情况下，器件进入内部热循环，器件承受的热循环数量有一定的限制。循环的次数与许多因素有关，包括结温幅度差、温度侦测布局和电路设计、硅结构、封装技术等。设计人员必须清楚应用电路是否可以在短路或其他激发过温保护故障情况下对受保护的MOSFET进行循环，然后评估器件在这些情况下的可靠性。这种故障模式分析可省去昂贵的场回路。

　　第二个问题涉及到当过温保护无效、随后可能发生器件故障时器件的工作情况。当关闭电感负载时，器件必须吸收存储在负载电感中的能量。对于标准的MOSFET，这种工作模式称为非箝制感应开关(UIS)。在UIS事故中，器件的漏-源硅结处于雪崩状态，器件产生大量功耗(大小取决于雪崩电压和峰值电流值)。当MOSFET吸收的能量使结温超过硅结构的内部温度(一般超过300℃)时，UIS事故的普通故障模式将发生。当结温超过内部温度时，器件不再像一个半导体，门极控制出错，而且器件会快速毁坏，除非漏极电源功率立即消失。自保护的MOSFET可能遭受同样的情况，因为当门极输入电压对控制电路进行偏置时，由于门极偏置为零，过温限制电路处于无效状态。在正常工作和最坏的故障情况下(如器件间歇性短路的情况)，电路设计人员必须确保器件吸收的能量不超过最大额定值。另外，即使出现最高能量额定值，能量脉冲之间必须有足够的时间让结温冷却到初始结温。否则，结温在每个能量脉冲之后升高，最终达到内部故障温度。

　　若过温限制电路在电感负载关闭的情况下偏置，由于大多数自保护MOSFET采用有源过压箝制，过温保护可能仍处于无效状态。有源箝制电路中的关键元件是位于主功率MOSFET门极和漏极连接之间的背靠背串联齐纳二极管。以此种状态堆栈的齐纳二极管的设计电压小于主功率MOSFET漏-源结的雪崩电压。因为门极已关闭，所以当漏极电压超过门-漏齐纳堆栈电压时，电流将流过堆栈和串联门极电阻，流至地面。因此，在主功率MOSFET门极产生接近阈值的电压，使MOSFET以正激线性工作模式传导负载电流。由于器件已导通，电感能量在有源区域以更均匀的电流密度耗散，与雪崩工作模式下的能量耗散方式不同。而且，因为箝制电压低于雪崩电压，所以器件在有源箝制模式下的瞬时功耗低于雪崩模式下的瞬时功耗。在有源箝制工作模式下切换电感负载时，这些行为使器件具备更强的能量处理能力。有源箝制由于具有上述特性，故经常在其它故 障保护动作之前执行。设计人员必须确保器件能够吸收在最坏情况下所有可能的电感能量。