詳細介紹如何運用MOSFET實現(xiàn)完美安全系統(tǒng)

汽車上許多組建的多元應用，從車上的燈泡到繼電器、從LED顯示照明到啟動馬達，不僅提供了各式各樣的高負載型、低成本效益的解決方案，也兼具了注重安全性汽車所必須的通訊和診斷能力。因此，設計人員為了增加車上電子系統(tǒng)的可靠性和耐久性，除了降低維修成本，避免組建發(fā)生故障，降低電子系統(tǒng)所造成的傷害，他們還在功率器件中加入故障保護電路。

另外，在一般汽車行駛的情況下，一旦出現(xiàn)了車上的組件出現(xiàn)故障狀況，將導致汽車上的電路系統(tǒng)發(fā)生短路，或電源無法供電。在遠程傳感器中采用車用金屬氧化半導體場效晶體管(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor;以下簡稱MOSFET)組件技術后，將能適時地保護發(fā)生故障的組件，或者在汽車線束及故障組件之間形成一個很高的阻抗，降低故障的發(fā)生率。

車用MOSFET組件與自我保護技術

在某種程度上，新車型的設計以來電子電路的設計，以降低成本、提高可靠性和豐富功能。另一方面，隨著電氣和電子系統(tǒng)不斷增加，以及其占用大部分汽車成本和重量的情況，該設計使電路保護設計成為設計工作中的關鍵。所以，一般汽車組建的設計工程師為了汽車商組件適用性的問題，大部分都會使用外部傳感器、分立電路或者軟件來應用。但是隨著技術持續(xù)發(fā)展，MOSFET除了具有高頻率性能、輸入阻抗高、驅動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點之外，還能使功率組件更能夠符合最低的系統(tǒng)成本，可歸類在多載式導電的單極型電壓控制組件中。因此，很多設計人員都會采用MOSFET這類具有保護作用的功率組件完成設計。

圖說：一般的汽車電路系統(tǒng)架構，大致上可簡單分為嵌入式與便利端口等兩種形式，而目前所使用的技術規(guī)范中，定義了MOSFET組件的技術規(guī)范。

在過去這幾年當中，在汽車內、外部安裝了電子設備，藉以控制汽車主體功能的汽車廠商持續(xù)地快速增加，使得車用半導體的應用數(shù)量也有顯著的提升。而在復雜的車用電子系統(tǒng)中，幾乎所有使用的功率組件除了要能因應環(huán)境快速的變化之外，在面對到電子產品關閉瞬間電流，及負載切斷電源故障所引起的高壓變化時，能有其因應之道。

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另外，還有一點就是當車內的環(huán)境工作溫度一旦超過100℃∼120℃的時候(如：引擎室、輪胎周圍等)，很容易就會產生組件結溫的情形，進而影響到組件的可靠度及其它可能發(fā)生故障的問題。還有一個問題就是車上復雜的線束問題，在車用線束中有許多的連接器，因為汽車上有越來越大功率需求，即便是在一般的應用條件下，組件所要承受的壓力相對提高，也很有可能造成組件電氣連接發(fā)生間斷性的故障問題。

為了滿足汽車更大的電流需求，順應目前潮流，汽車半導體廠商必須開發(fā)電源MOSFET組件技術。為降低電流流動時的電阻值，目前MOSFET在車用電子、電力系統(tǒng)中已經有了越來越多的應用，這樣可以看出其重要性。現(xiàn)階段，為了達到更有效率的能量利用率，以及最低成本的應用優(yōu)勢，除了滿足車上多變的應用環(huán)境外，還要順應國際組建標準需求，這樣才能進一步符合汽車市場對于功率組建的要求。所以，在為汽車電子產品設計電力系統(tǒng)的同時，車用電子設計工程師除了適宜性、可靠性和耐久性等本身問題外，還要面對各種各樣艱難的技術難關。

圖說：隨著電力需求的增加，提高了線束的復雜度，增加了對汽車的電線、重量以及封裝的限制。因此，每條電氣線路都要求針對短路和過載提供充足的電路保護措施，雖然，每個電氣負載論上都可采用自身專用的熔斷器進行保護，但是熔斷器在熔斷后必須進行更換。

汽車電子系統(tǒng)中還有哪些問題尚待解決

◎車上系統(tǒng)的短路故障問題

如果在車上電路系統(tǒng)組件之間，一旦發(fā)生了短路故障的情況，會使得MOSFET立即關閉，短路的電流會通過MOSFET周圍來進行分流，很容易就能發(fā)現(xiàn)故障問題的存在。不過，一旦電路系統(tǒng)的短路現(xiàn)象是屬于間歇性，或者負載為電感的情況下，電流停止時會在MOSFET上產生一個反激式電壓(Flyback)，來加以判斷負載電感中的峰值電流是否高于正常工作時的峰值電流。因此，組件所吸收的能量會比原先預期的還要多，而多個間歇性發(fā)生短路的情況，也會轉為連續(xù)而快速發(fā)生，進而導致峰值結溫快速提高，容易對組件本身產生潛在性的破壞。

◎溫度過高也容易發(fā)生故障問題

組件引腳的靜電放電(ESD)、線路瞬間電流，以及電感負載開關產生壓力過高，另外就是過熱的問題。在眾多設備中，一旦組件的溫度過熱就容易導致故障的發(fā)生，甚至是引起其它組件發(fā)生故障。就像電路系統(tǒng)的短路現(xiàn)象，容易使組件發(fā)生過高的功耗，或者是在極冷、極熱的環(huán)境條件下，使組件的散熱設備或電路板間的焊錫產生失效情況。在這么多可能導致故障的情況下，具自我保護MOSFET組件的控制電路，則是在一種安全模式來加以監(jiān)測，甚至是控制組件工作情況，一旦組件臨時發(fā)生故障，還能立即修復并恢復到正常功能，甚至能夠進一步降低汽車上的控制組件的體積尺寸，還具有提高可靠性，而在傳感器方面則具有自我故障診斷、工作狀態(tài)監(jiān)測及溫度感測、過電壓以及過電流斷電的保護等功能。

圖說：汽車電子的輸出系統(tǒng)在一般情況下也需要對由短路或電機堵轉所造成的過電流現(xiàn)象進行自我保護，因此，MOSFET在設計上，采取高頻率性能、輸入阻抗高、驅動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良的設計方式。

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如何在溫度過高的情況下達到自我保護作用

在一般的汽車上，所使用的過溫保護組件，是利用對溫度較為敏感的組件，如：二極管的偏壓來加以實現(xiàn)。假設上述的這些組件監(jiān)測到芯片結溫溫度超過當初所設定的數(shù)值，電路系統(tǒng)便會將具有主功率的MOSFET門極拉到接地，并在第一時間就關閉該組件，使其中的部份內置組件能暫停電流傳遞動作，待芯片的溫度稍微下降到適當?shù)臏囟戎螅艜娏髦琳顟B(tài)。

當發(fā)生溫度過高的故障之后，有兩個主要問題必須要解決。

第一、當設備持續(xù)地進行作動，使組件的溫度過高有可能會導致自我保護作用失效，發(fā)生組件故障的可能情況。這是因為關閉電感負載或變壓器負載的同時，其輸出的放大功率會因為頻率的不同，而產生差異與變化，此時的電路組件便會主動吸收存儲在負載電感中的能量，這對于應用在汽車電子、電路系統(tǒng)的MOSFET標準組件系統(tǒng)來說，是非常重要的。因為，一旦結溫超過內部所能承受的溫度，組件不再具有半導體特性，門極的控制動作容易產生錯誤情況，除非漏極電源功率立即消失，否則當晶體管門極長度縮短，會導致門限電壓(thresholdvoltage)因此而降低，進而產生短通道效應(short-channeleffect)，將使得設備的電路組件受到破壞。

自保護的MOSFET可能遭受同樣的情況，因為當門極輸入電壓對控制電路進行偏置時，由于門極偏置為零，過溫限制電路處于無效狀態(tài)。在正常工作和最壞的故障情況下(如器件間歇性短路的情況)，電路設計人員必須確保器件吸收的能量不超過最大額定值。另外，即使出現(xiàn)最高能量額定值，能量脈沖之間必須有足夠的時間讓結溫冷卻到初始結溫。否則，結溫在每個能量脈沖之后升高，最終達到內部故障溫度。

第二，當溫度限制開關斷電路與電流限制電路一起協(xié)同運作時，有可能產生的高溫故障問題。當電流產生限制電路時，將門極節(jié)點的電壓增加到閥值電壓的附近，同時迫使組件進入工作模式的情況，并在不同的組件結構下，產生不同的參數(shù)值與分析的數(shù)據結果，如此便可保持電流限制的設定點隨時符合高電流及低功耗的特性，以滿足從機械形式進展成機電形式的汽車電子系統(tǒng)。

對于采用熱滯后電路讓零件在過溫故障情況下循環(huán)導通和關閉的組件，結溫將穩(wěn)定在滯后電路高低設定點之間的溫度。這與高溫可靠性測試類似，都取決于組件在故障情況下的工作時間。一般來說，當組件的可靠性下降變成一個受重視的問題時，別指望在故障情況下該組件工作幾千小時或更長時間。

圖說：汽車電路架構的未來將以42VPowerNet供電網絡和過渡性雙電壓網絡進行轉變的戰(zhàn)略，為電氣和電子系統(tǒng)架構提供了許多革新的機會。

對汽車電力、電子設備的控制系統(tǒng)、故障自我偵測、訊號處理等，微機電也具有時代性的重要象征，在電源接口，也需要具有過電流的自我保護功能來戰(zhàn)線汽車電子陳葉體系所導入的電源標準，為防止各種類型的故障發(fā)生，針對汽車電源的部分進行保護。以防止各種類型的故障發(fā)生。因此，在汽車上的應用，未來微機電還會持續(xù)發(fā)展，這包括電力技術等運用到汽車上的電力、微電子技術、和電子組建中，這樣更多而且適合用在汽車上的電力、電子組建自我保護系統(tǒng)才會被工程師們開發(fā)出來。

車上的電流限制可以透過使用電阻、保險絲、開關或MOSFET組件技術來加以實現(xiàn)。目前很少采用電阻保護方案，因為它會在正常電流狀態(tài)下產生過大的電壓降。有可能采用一次性保險絲方案，但是這種保護易于損壞，而且必須在產生故障后予以更換。雙金屬開關的局限性在于它存在反復接通，并有可能導致觸點熔連故障。在很多汽車應用中，最好的保護方案為MOSFET組件技術，這種組件在正常工作狀態(tài)下呈現(xiàn)低阻抗，而在產生故障時呈現(xiàn)高阻抗;如此一來，便能使汽車電力自我保護系統(tǒng)呈現(xiàn)最佳化的狀態(tài)。

因為汽車在電源啟動或關閉的過程中，很容易就會產生短路組件，這就導致了汽車上最常見并且是最麻煩的故障問題就是汽車電路系統(tǒng)「短路」的故障問題。也可以說，大部分在汽車上產生的短路故障屬于間歇性，也就是說，在短時間內有可能產生很多不同的狀況，但是現(xiàn)在就可以利用MOSFET組件來解決這類電路系統(tǒng)短路問題。