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汽車功率驅動系統的低階整合輔助設計
 

【作者: Russell Anderson】   2003年09月05日 星期五

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汽車功率驅動系統的低階整合輔助設計

目前汽車設計人員可選用兩種MOSFET裝置:無保護功能的“簡單” PowerMOS,或在環境條件超出規定標準時能自動關閉的全面保護裝置。由於全面保護裝置帶有額外的邏輯及保護電路,因而成本較高,有一些供應商也在開發介於兩者之間的新裝置。如飛利浦半導體的TrenchPLUS系列產品,可整合晶片上的溫度及電流感應元件等,並具備保護系統、節省空間與無須使用昂貴的SMART功率裝置等特性。


技術概覽


《圖一 TrenchPLUS 器件可能具有的額外特性》
《圖一 TrenchPLUS 器件可能具有的額外特性》

(圖一)顯示了TrenchPLUS類器件典型的元件組。增添的箝位二極體和閘道電阻器具有保護特性,旨在保護對電壓敏感的閘極氧化層免受有害電場的影響;為了保護裝置不受高溫危害,可將溫度感應二極體整合在晶片的表面,因為只有直接測量接合處溫度,才能即時檢測有危害的閘道高溫。為了精確測量電流,可在FET器件中內置一個電流感測器,既節省功耗,又無須使用昂貴的低阻值並聯功率電阻器。


溫度感應

通過測量一個整合二極體的電壓下降來檢測溫度,傳統的做法是增添一個比較器(comparator)和一些被動元件來直接測量晶片溫度,但由於設計複雜性的增加,目前需要利用微控制器取代傳統的做法來檢測溫度。


理論上講,溫度感測器的精確度取決於下面三個因素:


  • ˙前向電壓的不確定性;


  • ˙溫度係數的不確定性;


  • ˙參考電壓的選擇。



《圖二 Ttrip隨Vf、Sf變化的關係圖》
《圖二 Ttrip隨Vf、Sf變化的關係圖》

(圖二)更加清晰地表明這些因素的影響;固有的變異性給增添了一個固定的偏移值(offset)。的變化是以斜率的變化來表示的,溫度的整體誤差是及影響的總和。只簡單測量一下室內溫度值,會讓裝置的精確度增加一倍, 造成的誤差可通過調整加以避免,這樣誤差就只與斜率有關了。目前最精確的技術是掌握每一個器件的特性,不過對大部分生產線來說這是不實際的。


電流感應

電流感應為設計人員提供了測量MOSFET裝置內電流實際的方法,無需使用精確低於1(的功率電阻器。即使一個低於歐姆(Ohm)的並聯電阻也可產生相當大的熱量耗散,影響能量效率以至整個系統的熱量平衡。


在電流感應過程中,MOSFET單元的一小部分被用於電流測量。由於裝置內的所有元素都是相同的,汲極電流(drain current)被所有元素均分,通過測量少數單位的電流,再乘以已知的比例係數,就可以計算出總汲極電流。


主FET與感應FET裝置之間的電流比率被稱為感應率(sense ratio;n);它是在測量端與來源端處於相同電位的情況下被定義的。


感應電阻器方法

感應電阻器被連接在感應輸出與絕對溫標(Kelvin)源之間,可用於電流測量。它提供了簡單的電流與電壓之間的轉換,可從微控制器的類比(A)- 數位(D)輸入直接讀出數值。不過,由於傳感電阻器兩端的電壓不能超過主器件兩端的電壓,可能需要一個運算放大器,將信號放大到更合適的水準,如(圖三)。假定運算放大器的共模範圍包括接地(ground), 這一電路則不需要負電源。



《圖三 感應電阻器電流測量電路》
《圖三 感應電阻器電流測量電路》

幾何感應率表示如下:


《公式一 》
《公式一 》

是感應FET的導通電阻(on-resistance),是主FET的導通電阻減去源前導電阻。


增添的感應電阻器增加了有效的感應率,使之變為:


《公式二 》
《公式二 》

注意感應信號包含開啟與關閉時的假峰值(false peaks)。這是由於線性與全面增強工作區之間的電流比率的差異造成的,並且還與電路有關。


(公式二)表明該電路中有兩個主要的誤差源:


  • (1)製造過程中帶來固有的'n'不準確度;


  • (2)主FET和感應FET對溫度的依賴性。在25(C至150(C的溫度範圍內,功率MOSFET的導通電阻大約要加倍,而感應電阻器則不受溫度的影響。



因此採用這種方法時,感應比率與溫度有關。若需要更高的精確度,可提供更多的解決方案,如虛擬接地方法,其感應輸出直接與運算放大器的+/-端相連。


結論

將額外的感測器整合在功率MOS裝置內,將為設計人員帶來明顯的益處。由於可以瞭解晶片的溫度/電流資訊,設計人員可節省產品空間,最終節省系統成本,改善設計水準。這類裝置填補了簡單MOS與全面保護裝置之間的空白,適合從汽車行業的EPAS系統到主機板的直流-直流(DC-DC)轉換器的所有形式的應用系統。


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