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)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：

《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》

幾何感應率表示如下：

《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　》

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：

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。