汽車電子環(huán)境非常嚴(yán)苛！如圖一所示，由於負(fù)載瞬態(tài)和感應(yīng)場(chǎng)衰變，汽車的額定電池電壓可在 -12V DC (在反向電池狀態(tài)) 下變化為 125V DC。加上作業(yè)溫度、各種互連及開放環(huán)境等多種變化，容易受到來自與人類互動(dòng)而可能產(chǎn)生的 ESD 損害，而且作業(yè)環(huán)境所面對(duì)的挑戰(zhàn)性遠(yuǎn)比消費(fèi)性市場(chǎng)來得更高。
汽車業(yè)需要具有成本效益與完全可靠的解決方案，但這種潛在的破壞性環(huán)境，對(duì)現(xiàn)代汽車常見的大量控制功能所需的功率半導(dǎo)體裝置帶來巨大的挑戰(zhàn)。
標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 等功率半導(dǎo)體已被證實(shí)其堅(jiān)固程度不符合許多的汽車應(yīng)用所需。感應(yīng)突波與負(fù)載突降需要更大 MOSFET 或外部箝位來吸收能量的瞬態(tài)，否則將會(huì)破壞 MOSFET。這兩種選項(xiàng)都會(huì)增加成本與獨(dú)立設(shè)計(jì)的複雜性。
自我保護(hù)型 MOSFET可透過結(jié)合箝位與其他保護(hù)功能的單片電路拓?fù)湟越鉀Q此問題，為驅(qū)動(dòng)繼電器、LED 及其他電感負(fù)載提供更可靠且更低成本、更小尺寸的解決方案。
繼電驅(qū)動(dòng)
Diodes 公司的 DMN61D8LQ 是採(cǎi)用 SOT23 封裝的箝位拓?fù)渥晕冶Ｗo(hù)型 MOSFET，並已進(jìn)行最佳化以符合驅(qū)動(dòng)汽車?yán)^電器的成本與效能需求。它在輸入部分具備 ESD 保護(hù)功能，並且在輸出部分具備主動(dòng)汲極箝位功能。後者由於其電感特性，在切換繼電器時(shí)特別有用，因?yàn)樵谕Ｓ美^電器時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的瞬態(tài)，而這些瞬態(tài)有可能破壞未受保護(hù)的 MOSFET。
圖二所示的背對(duì)背齊納堆疊位於 MOSFET 的閘極與汲極連線之間，是此低側(cè)、主動(dòng)箝位組態(tài)的主要元件。箝位電壓由齊納堆疊電壓設(shè)定，其設(shè)計(jì)為小於 MOSFET 汲極至源極接面的突崩崩潰電壓，同時(shí)也夠高而不會(huì)在正常運(yùn)作中被觸發(fā)。
| 圖二 : 低側(cè)主動(dòng)過電壓箝位的等效電路 |
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這意味著當(dāng) MOSFET 關(guān)閉時(shí)，即裝置的輸入已接地，汲極腳位的電壓將上升至高於齊納堆疊電壓，電流將經(jīng)由齊納與輸入電阻器而流至接地。然後，隨著 MOSFET 閘極產(chǎn)生的最終電壓接近閾值，MOSFET 將開始導(dǎo)通並耗用負(fù)載電流。
如此可確保由停用繼電器產(chǎn)生的電感能量，可由在正常作用區(qū)中運(yùn)作的功率 MOSFET 吸收，而非以反向突崩模式在本機(jī)耗散更多能量。同時(shí)，由於箝位電壓低於突崩電壓，MOSFET 在箝位模式下消耗的功率小於突崩模式，因此可提供更高的能量處理能力。
燈具驅(qū)動(dòng)
為了進(jìn)一步因應(yīng)瞬態(tài)，自我保護(hù)型 MOSFET (以 Diodes 公司的 ZXMS6004FFQ為例) 採(cǎi)用完整保護(hù)的拓?fù)?，包括過熱保護(hù)及過電流保護(hù)電路。如圖三的方塊圖所示，其中已加入過電壓與 ESD 輸入保護(hù)。此裝置採(cǎi)用小尺寸 SOT23 封裝，比同類 SOT223 封裝的零件小 6 倍。
| 圖三 : Diodes ZXMS6004FFQ MOSFET 的自我保護(hù)功能 |
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這款自我保護(hù)型 MOSFET 利用溫度感測(cè)器與熱關(guān)機(jī)電路提供保護(hù)，以避免過熱。此電路在 MOSFET 開啟時(shí)為主動(dòng)，並且會(huì)在超過臨界溫度 (通常為攝氏175度) 時(shí)觸發(fā)。此時(shí)會(huì)關(guān)閉 MOSFET，中斷電流以限制進(jìn)一步散熱。內(nèi)建遲滯可讓輸出在裝置冷卻約攝氏10度後自動(dòng)恢復(fù)。
白熾燈關(guān)閉時(shí)電阻較低，當(dāng)開燈後電阻會(huì)快速增加，溫度也會(huì)上升。透過限流電路提供的過電流保護(hù)不僅可提供保護(hù)以避免故障，並可避免與燈具低導(dǎo)通電阻相關(guān)的高湧浪電流。限流電路可偵測(cè)因過載電流而產(chǎn)生的 MOSFET 汲源電壓 (VDS) 大幅增加，並藉由降低內(nèi)部閘極驅(qū)動(dòng)及限制汲極電流 (ID) 進(jìn)行因應(yīng)。此功能可保護(hù) MOSFET 並延長(zhǎng)燈具壽命，其特性如圖四所示。
雖然上述保護(hù)電路皆獨(dú)立實(shí)作，但它們亦可結(jié)合並正常運(yùn)作。例如，透過電流調(diào)節(jié)可以運(yùn)作一段時(shí)間，但可能無法阻止溫度最終達(dá)到進(jìn)入過熱循環(huán)的閾值。藉由其內(nèi)建保護(hù)功能，自我保護(hù)型 MOSFET 可為各種汽車應(yīng)用的開關(guān)負(fù)載提供具有成本效益的解決方案。
（作者Ian Moulding為Diodes公司汽車行銷經(jīng)理）
