能使導通電阻下降的功率MOSFET相關情況解析方案

工程師在為汽車電子設計電源系統時可能會遇到在設計任何電源應用時都會面臨的挑戰。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(如引擎蓋下面的汽車電子應用)，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沖。電氣配線中大量的接頭(位于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。

上述每個方面都非常重要。但還有另外一個挑戰，即提供更高的能量利用效率。在過去的幾年里，以電子方式控制的汽車功能所占比重急劇增長。因此，車內的半導體數量也不斷增加。某些車輛的IC數量已超過100個。MOSFET必須能夠滿足為更多IC提供電力所帶來的日益增長的能量要求。汽車子系統本身的發展也需要更多的能源。在輕型車輛中日益普及的電動轉向系統和防抱死剎車系統就是兩個很好的實例。總之，所有這些趨勢都刺激了對可承載更大電流的IC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)半導體制造工藝生產的MOSFET有助于將導通電阻值降低20%到40%。

但近幾年，功率MOSFET技術領域的進步已經將單位硅片面積的導通電阻降至極低的水平，因此器件制造商現在必須尋找其它途徑來改進他們的產品。這在采用高密度溝槽技術制造具有低漏極到源極電壓的器件時尤其重要。保護是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只有兩種選擇：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系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于可以保護系統、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解決方案有助于系統工程師創造出可以在工作過程中測量系統活動的設計，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

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，飛利浦在芯片表面集成了溫度感應二極管。這樣集成的理由是：只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干無源元件。但是，隨著設計的日益完善，出現了更好的解決方案。TrenchPLUS使用微控制器取代了比較器和無源元件。

由于準確度對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于以下三個因素：

正向電壓Vf的誤差;

溫度系數值Sf的誤差;

基準電壓Vfref的選擇。