汽车功率驱动系统的低阶整合辅助设计

目前汽车设计人员可选用两种MOSFET装置：无保护功能的“简单” PowerMOS，或在环境条件超出规定标准时能自动关闭的全面保护装置。由于全面保护装置带有额外的逻辑及保护电路，因而成本较高，有一些供应商也在开发介于两者之间的新装置。如飞利浦半导体的TrenchPLUS系列产品，可整合晶片上的温度及电流感应元件等，并具备保护系统、节省空间与无须使用昂贵的SMART功率装置等特性。

技术概览

《图一 TrenchPLUS 器件可能具有的额外特性》

(图一)显示了TrenchPLUS类器件典型的元件组。增添的钳位二极体和闸道电阻器具有保护特性，旨在保护对电压敏感的闸极氧化层免受有害电场的影响；为了保护装置不受高温危害，可将温度感应二极体整合在晶片的表面，因为只有直接测量接合处温度，才能即时检测有危害的闸道高温。为了精确测量电流，可在FET器件中内置一个电流感测器，既节省功耗，又无须使用昂贵的低阻值并联功率电阻器。

温度感应

通过测量一个整合二极体的电压下降来检测温度，传统的做法是增添一个比较器（comparator）和一些被动元件来直接测量晶片温度，但由于设计复杂性的增加，目前需要利用微控制器取代传统的做法来检测温度。

理论上讲，温度感测器的精确度取决于下面三个因素：

《图二 Ttrip随Vf、Sf变化的关系图》

(图二)更加清晰地表明这些因素的影响；固有的变异性给增添了一个固定的偏移值（offset）。的变化是以斜率的变化来表示的，温度的整体误差是及影响的总和。只简单测量一下室内温度值，会让装置的精确度增加一倍， 造成的误差可通过调整加以避免，这样误差就只与斜率有关了。目前最精确的技术是掌握每一个器件的特性，不过对大部分生产线来说这是不实际的。

电流感应

电流感应为设计人员提供了测量MOSFET装置内电流实际的方法，无需使用精确低于1(的功率电阻器。即使一个低于欧姆（Ohm）的并联电阻也可产生相当大的热量耗散，影响能量效率以至整个系统的热量平衡。

在电流感应过程中，MOSFET单元的一小部分被用于电流测量。由于装置内的所有元素都是相同的，汲极电流（drain current）被所有元素均分，通过测量少数单位的电流，再乘以已知的比例系数，就可以计算出总汲极电流。

主FET与感应FET装置之间的电流比率被称为感应率（sense ratio；n）；它是在测量端与来源端处于相同电位的情况下被定义的。

感应电阻器方法

感应电阻器被连接在感应输出与绝对温标（Kelvin）源之间，可用于电流测量。它提供了简单的电流与电压之间的转换，可从微控制器的类比（A）- 数位（D）输入直接读出数值。不过，由于传感电阻器两端的电压不能超过主器件两端的电压，可能需要一个运算放大器，将信号放大到更合适的水准，如(图三)。假定运算放大器的共模范围包括接地（ground）， 这一电路则不需要负电源。

《图三 感应电阻器电流测量电路》

几何感应率表示如下：

《公式一 》

是感应FET的导通电阻（on-resistance），是主FET的导通电阻减去源前导电阻。

增添的感应电阻器增加了有效的感应率，使之变为：

《公式二 》

注意感应信号包含开启与关闭时的假峰值（false peaks）。这是由于线性与全面增强工作区之间的电流比率的差异造成的，并且还与电路有关。

(公式二)表明该电路中有两个主要的误差源：

因此采用这种方法时，感应比率与温度有关。若需要更高的精确度，可提供更多的解决方案，如虚拟接地方法，其感应输出直接与运算放大器的+/-端相连。

结论

将额外的感测器整合在功率MOS装置内，将为设计人员带来明显的益处。由于可以了解晶片的温度/电流资讯，设计人员可节省产品空间，最终节省系统成本，改善设计水准。这类装置填补了简单MOS与全面保护装置之间的空白，适合从汽车行业的EPAS系统到主机板的直流－直流（DC-DC）转换器的所有形式的应用系统。