中心議題：

• 分析更多的MOSFET選擇
• TrenchPLUS技術 介紹
• 溫度感應和電流感應

解決方案：

• 直接測量芯片溫度的常規解決方案

工程師在為汽車電子設計電源係統時可能會遇到在設計任何電源應用時都會麵臨的挑戰。因為功率器件MOSFET必須能夠承受極為苛刻的環境條件。環境工作溫度超過120℃會使器件的結點溫度升高，從而引發可靠性和其它問題。在極端環境下(如引擎蓋下麵的汽車電子應用)
，溫度的迅速上升會使MOSFET意外導通
，致使閾值電壓接近零伏。       

此外，MOSFET還必須能夠承受開關關閉瞬間和負載突降故障所導致的高壓尖脈衝。電氣配線中大量的接頭(位於適當位置以方便裝配和維修接線)也大幅增加了與器件的電氣連接中斷的可能性。汽車工業非常關注質量和可靠性，因此MOSFET必須符合國際公認的AEC Q101標準。       

上shang述shu每mei個ge方fang麵mian都dou非fei常chang重zhong要yao。但dan還hai有you另ling外wai一yi個ge挑tiao戰zhan
，即ji提ti供gong更geng高gao的de能neng量liang利li用yong效xiao率lv。在zai過guo去qu的de幾ji年nian裏li，以yi電dian子zi方fang式shi控kong製zhi的de汽qi車che功gong能neng所suo占zhan比bi重zhong急ji劇ju增zeng長chang。因yin此ci
，車che內nei的de半ban導dao體ti數shu量liang也ye不bu斷duan增zeng加jia。某mou些xie車che輛liang的deIC數量已超過100個。MOSFET必須能夠滿足為更多ICtigongdianlisuodailaideriyizengchangdenengliangyaoqiu。qichezixitongbenshendefazhanyexuyaogengduodenengyuan。zaiqingxingcheliangzhongriyipujidediandongzhuanxiangxitonghefangbaosishachexitongjiushilianggehenhaodeshili。zongzhi，suoyouzhexiequshidoucijileduikechengzaigengdadianliudeIC的強烈需求。       

為了滿足對更大電流的需求

，半導體公司必須開發出能夠使導通電阻(電流流動時的電阻值)下降的功率MOSFET。與常規的MOSFET相比，采用溝槽(Trench)半導體製造工藝生產的MOSFET有助於將導通電阻值降低20%到40%。       

但近幾年，功率MOSFET技(ji)術(shu)領(ling)域(yu)的(de)進(jin)步(bu)已(yi)經(jing)將(jiang)單(dan)位(wei)矽(gui)片(pian)麵(mian)積(ji)的(de)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)降(jiang)至(zhi)極(ji)低(di)的(de)水(shui)平(ping)，因(yin)此(ci)器(qi)件(jian)製(zhi)造(zao)商(shang)現(xian)在(zai)必(bi)須(xu)尋(xun)找(zhao)其(qi)它(ta)途(tu)徑(jing)來(lai)改(gai)進(jin)他(ta)們(men)的(de)產(chan)品(pin)。這(zhe)在(zai)采(cai)用(yong)高(gao)密(mi)度(du)溝(gou)槽(cao)技(ji)術(shu)製(zhi)造(zao)具(ju)有(you)低(di)漏(lou)極(ji)到(dao)源(yuan)極(ji)電(dian)壓(ya)的(de)器(qi)件(jian)時(shi)尤(you)其(qi)重(zhong)要(yao)。保(bao)護(hu)是(shi)IC公司用來向他們的汽車客戶提供性能優勢的策略之一。

更多的MOSFET選擇        

時至今日
，挑選MOSFET器件的汽車設計人員隻有兩種選擇：1. 選擇無保護策略的“簡易型”PowerMOS
；2. 選擇可在環境條件超出規格時自動關斷的帶完全保護的器件。       

不幸的是，具有附加邏輯電路和保護電路的完全保護器件也有弊端，即實現保護的成本太高。因此，領先的IC公司已在開發一種新型器件
，以結合這兩者各自的優點。       

飛利浦半導體公司的TrenchPLUS係列產品就是一個很好的實例。TrenchPLUS將TrenchMOS技術和附加的功能完整地集成到芯片上。1996年開始采用的TrenchMOS生產工藝把功率MOSFET的導通電阻RDS(on)減小了一半。TrenchMOS與其它功能相結合的優勢在於可以保護係統
、節約空間，而且無需昂貴的智能功率器件。

TrenchPLUS技術       

TrenchPLUS器件集成了板上溫度和電流檢測特性及附加的電阻和二極管(包括ESD保護)。TrenchPLUS解決方案有助於係統工程師創造出可以在工作過程中測量係統活動的設計，以改善安全性和優化性能。       

圖1顯示了TrenchPLUS類型器件的典型元件集。
 

圖1：TrenchPLUS器件可能具有的附加功能      

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突出顯示的元件組成一個特性板，可以將其中的功能集成到MOSFET中。這些元件從右上角開始按順時針方向為：溫度感應二極管
、電流傳感器、鉗位二極管(內部二極管
，未顯示)和門電阻器。通過加入鉗位二極管和門電阻器眾所周知的保護特性
，可以保護對電壓敏感的柵氧化層免受危險電場的破壞。       

為在過高的溫度環境下保護器件，飛利浦在芯片表麵集成了溫度感應二極管。這樣集成的理由是：隻有直接測量結溫方可確保及時檢測到會導致危險的高的門電路溫度。為準確測量電流，可以將電流傳感器集成到場效應晶體管(FET)中。這樣
，就不再需要低阻抗分流電阻器了。

溫度感應        

直接測量芯片溫度的常規解決方案是增加一個比較器和若幹無源元件。但是，隨著設計的日益完善
，出現了更好的解決方案。TrenchPLUS使用微控製器取代了比較器和無源元件。       

由於準確度對MOSFET的溫度測量至關重要，所以，我們就從該角度來說明此解決方案。理論上

，溫度傳感器的準確度取決於以下三個因素：    

正向電壓Vf的誤差；     
溫度係數值Sf的誤差

；     
基準電壓Vfref的選擇。       

圖2更清楚地顯示了這三個因素的影響。
 

圖2：Ttrip隨著Vf、Sf的變化而變化       

從圖中可以觀察到Vf的內在變化給Ttrip增加了固定的偏移量。Sf的變化通過斜率的變化來表示。       

溫度係數太小可能導致器件在溫度超過其最高工作溫度時仍在工作，從而損害器件的壽命。反之
，溫度係數太高將導致在溫度低於Ttrip時出現討厭的錯誤關斷。這兩個因素都對采取的保護策略有影響。       

為了計算總誤差
，應該將Vf和Sf的誤差求和。請注意，如果測量Vf.的室溫值
，則器件的準確度將會翻一倍。可以通過調整Vfref來消除Vf的(de)誤(wu)差(cha)
，從(cong)而(er)隻(zhi)剩(sheng)下(xia)與(yu)斜(xie)率(lv)相(xiang)關(guan)的(de)誤(wu)差(cha)。可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)實(shi)現(xian)此(ci)目(mu)的(de)的(de)最(zui)精(jing)確(que)的(de)技(ji)術(shu)就(jiu)是(shi)獲(huo)得(de)每(mei)個(ge)器(qi)件(jian)的(de)特(te)性(xing)

，但(dan)這(zhe)對(dui)大(da)多(duo)數(shu)產(chan)品(pin)線(xian)來(lai)說(shuo)都(dou)不(bu)現(xian)實(shi)。

電流感應        

無需使用低於1歐姆的精密功率電阻測量MOSFET內部電流的現實方法就是電流感應。即使低於1歐姆的分流電阻器也會產生大量的熱損耗，影響到能量效率和整個係統的熱平衡。       

在電流感應中，將MOSFET單(dan)元(yuan)的(de)一(yi)小(xiao)部(bu)分(fen)用(yong)於(yu)電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)。由(you)於(yu)器(qi)件(jian)中(zhong)的(de)所(suo)有(you)單(dan)元(yuan)都(dou)完(wan)全(quan)相(xiang)同(tong)並(bing)且(qie)漏(lou)電(dian)流(liu)在(zai)這(zhe)些(xie)單(dan)元(yuan)之(zhi)間(jian)平(ping)均(jun)分(fen)配(pei)，因(yin)此(ci)，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)一(yi)小(xiao)部(bu)分(fen)單(dan)元(yuan)的(de)電(dian)流(liu)，再(zai)乘(cheng)以(yi)已(yi)知(zhi)的(de)比(bi)例(li)係(xi)數(shu)來(lai)計(ji)算(suan)總(zong)的(de)漏(lou)電(dian)流(liu)。       

飛利浦的7腳D2PAK用於將溫度感應元件和電流感應元件連接起來。從主FET器件流向感應FET器件的電流比例稱為“感應比例”(用n表示)。通過將測量終端和源終端保持在相同電壓來定義此參數。例如，在飛利浦的TrenchPLUS器件中，此比例標稱值為550。可(ke)以(yi)更(geng)改(gai)此(ci)比(bi)例(li)以(yi)符(fu)合(he)客(ke)戶(hu)的(de)具(ju)體(ti)要(yao)求(qiu)。為(wei)了(le)獲(huo)得(de)最(zui)高(gao)的(de)準(zhun)確(que)度(du)，包(bao)括(kuo)有(you)些(xie)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)在(zai)內(nei)，都(dou)會(hui)采(cai)用(yong)虛(xu)擬(ni)接(jie)地(di)法(fa)而(er)不(bu)是(shi)感(gan)應(ying)電(dian)阻(zu)法(fa)。但(dan)是(shi)
，對(dui)於(yu)汽(qi)車(che)應(ying)用(yong)而(er)言(yan)，感(gan)應(ying)電(dian)阻(zu)法(fa)提(ti)供(gong)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)成(cheng)本(ben)更(geng)低(di)

，因(yin)此(ci)更(geng)適(shi)合(he)汽(qi)車(che)應(ying)用(yong)的(de)要(yao)求(qiu)。

感應電阻法        

如上所述，可以在感應輸出和開爾文源之間連接感應電阻器Rs，以便精確地測量電流。此方法提供簡單的電流到電壓的轉換，而且該轉換值可直接由微控製器的模數輸入讀取。       
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感應電阻器上的電壓不能大於主器件上的電壓，不過，可能需要一個運算放大器將信號放大到更適合的電平。此配置如圖3所示。
 

圖3：感應電阻器電流測量電路       

隻要運算放大器的共模範圍包括地，那麼此電路就不需要負電源。       

幾何感應比例n為：       

其中

，RDM(on)是感應FET導通電阻
，等於主FET導通電阻減去源引線電阻。       

附加的感應電阻器增加有效感應比例，因此該值變為n''''，計算公式為：       

值zhi得de注zhu意yi的de是shi，感gan應ying信xin號hao包bao含han開kai關guan時shi的de錯cuo誤wu峰feng值zhi。這zhe些xie錯cuo誤wu峰feng值zhi的de起qi因yin是shi線xian性xing和he完wan全quan增zeng強qiang的de工gong作zuo區qu域yu中zhong的de電dian流liu比bi例li的de差cha別bie，而er且qie與yu電dian路lu有you關guan。公gong式shi2表明

，此電路中有兩大誤差源：   

製造過程中n固有的誤差；
   
與主FET和感應FET的溫度有關。在25°C和150°C之間，功率MOSFET開啟時的導通電阻大約增加一倍。       

另一方麵，感應電阻器與溫度無關。因此可以看出，采用此方法時，1. 感應比例與溫度有關；2. 其誤差大於采用虛擬接地電路的誤差。

封裝方式        

談論MOSFET時不能不探討封裝方式，這對於汽車應用來說尤其重要。盡管D2PAK是采用TrenchPLUS器件的原始封裝，但現在有了體積更小、熱效率更高的封裝形式。
       
飛利浦的SOT669 LFPAK可以從SO8的緊湊封裝麵積中提供更高的散熱性能。其內部結構克服了SO8的限製。其熱阻可以與比其更大的封裝相提並論，這有助於維持盡可能低的操作溫度。LFPAK外形非常小巧——厚度僅為1.1mm，比SO8薄40%。這種創新的內部結構使其電感遠遠低於其它封裝。       

40V HPA LFPAK封裝具有SO8體積小巧的優勢，同時有更大封裝(如DPAK)所具有的卓越熱性能。在傳統的功率封裝中
，主要的散熱路徑是從裝配點垂直向下並進入PCB。但是，LFPAK還通過源導線向上和向外傳導大量熱量，使其熱阻遠遠低於SO8，甚至可以與大得多的封裝(如DPAK和D2PAK)相比。

本文小結        

汽車電子設計工程師在其powerMOS設計中采用附加的傳感器有諸多好處。通過獲取有關芯片本地溫度/dianliudexinxi，shejirenyuankeyijieyuekongjianbingjiangdixitongchengben。bingkeyizaishixianzheyimubiaodetongshi，tuijinshejidefanwei。tongchangqingkuangxiaxuyaozaichengbenhexingnengjianjinxingzhezhong，ercaiyongzhezhongqijianzewuxuzhezhongkaolv。       

這種器件填補了簡易MOS和完全保護器件之間的空白
，非常適合於各種應用，包括從汽車環境中的電動輔助轉向(EPAS)係統到主板的DC/DC轉換器。