MOSFET在安全系統(tǒng)中的完美實(shí)現(xiàn)

精品文檔-下載后可編輯MOSFET在安全系統(tǒng)中的完美實(shí)現(xiàn)隨著化的加劇，競(jìng)爭日益激烈，各個(gè)公司在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，不斷引進(jìn)新的生產(chǎn)設(shè)備，雖然提高了生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化程度，但同時(shí)也帶來了設(shè)備安全問題。生產(chǎn)因素中人作為要素，他們的安全問題，在各個(gè)企業(yè)越來越受到重視，企業(yè)既要保證生產(chǎn)，又要保障工人的人身安全。以汽車生產(chǎn)廠為例，尤其是在自動(dòng)化程度較高的焊裝車間，大量的焊接機(jī)器人和搬送線體出現(xiàn)，造成了許多需要安全保護(hù)的危險(xiǎn)區(qū)域，所以安全傳感器的使用已經(jīng)非常普遍。目前，國內(nèi)大部分企業(yè)設(shè)備安全，主要由現(xiàn)場(chǎng)的急停信號(hào)通過PLC處理，但其安全等級(jí)只能達(dá)到2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的要求，如果將原有的PLC控制系統(tǒng)撤除，造成很大浪費(fèi)，因此增加一個(gè)安全控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)鏈接到現(xiàn)有的PLC系統(tǒng)上，形成一個(gè)安全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在遠(yuǎn)傳感器中采用車用金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor;以下簡稱MOSFET）組件技術(shù)后，將能適時(shí)地保護(hù)發(fā)生故障的組件，或者在汽車線束及故障組件之間形成一個(gè)很高的阻抗，降低故障的發(fā)生率。

車用MOSFET組件與自我保護(hù)技術(shù)

金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管，簡稱金氧半場(chǎng)效晶體管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管（field-effecttransistor）。MOSFET依照其"通道"的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET,通常又稱為NMOSFET與PMOSFET,其他簡稱尚包括NMOSFET、PMOSFET、nMOSFET、pMOSFET等。

新車型的設(shè)計(jì)在某種程度上依賴電子電路的設(shè)計(jì)，用來降低成本、提高可靠性及豐富功能，另一方面也隨著電氣及電子系統(tǒng)不斷地增加，以及它們占大部分汽車成本和重量的現(xiàn)實(shí)情況，使得電路保護(hù)設(shè)計(jì)成為設(shè)計(jì)工作中的一個(gè)關(guān)鍵因素。因此，為了汽車上組件適用性的問題，一般汽車組件的設(shè)計(jì)工程師大都會(huì)使用外部傳感器、分立電路或者是使用軟件來加以因應(yīng)。不過，以目前的發(fā)展趨勢(shì)來看，隨著技術(shù)持續(xù)的發(fā)展，MOSFET這可歸類在多載式導(dǎo)電的單極型電壓控制組件，除了具有高頻率性能、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)之外，還能使功率組件更能夠符合的系統(tǒng)成本，藉以達(dá)到更為優(yōu)異的故障自我保護(hù)系統(tǒng)。因此，大部分的設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)而采用具有保護(hù)作用的MOSFET功率組件來完成。

圖說：一般的汽車電路系統(tǒng)架構(gòu)，大致上可簡單分為嵌入式與便利端口等兩種形式，而目前所使用的技術(shù)規(guī)范中，定義了MOSFET組件的技術(shù)規(guī)范。

另外，還有一點(diǎn)就是當(dāng)車內(nèi)的環(huán)境工作溫度一旦超過100℃~120℃的時(shí)候（如：引擎室、輪胎周圍等），很容易就會(huì)產(chǎn)生組件結(jié)溫的情形，進(jìn)而影響到組件的可靠度及其它可能發(fā)生故障的問題。還有一個(gè)問題就是車上復(fù)雜的線束問題，在車用線束中有許多連接器，因?yàn)槠嚿嫌性絹碓酱蠊β市枨?，即便是在一般的?yīng)用條件下，組件所要承受的壓力相對(duì)提高，也很有可能造成組件電氣連接發(fā)生間斷性的故障問題。

數(shù)位科技的進(jìn)步，如微處理器運(yùn)算效能不斷提升，帶給深入研發(fā)新一代MOSFET更多的動(dòng)力，這也使得MOSFET本身的操作速度越來越快，幾乎成為各種半導(dǎo)體主動(dòng)元件中快的一種。MOSFET在數(shù)位訊號(hào)處理上主要的成功來自CMOS邏輯電路的發(fā)明，這種結(jié)構(gòu)的好處是理論上不會(huì)有靜態(tài)的功率損耗，只有在邏輯門（logicgate）的切換動(dòng)作時(shí)才有電流通過。CMOS邏輯門基本的成員是CMOS反相器（inverter），而所有CMOS邏輯門的基本操作都如同反相器一樣，同一時(shí)間內(nèi)必定只有一種晶體管（NMOS或是PMOS）處在導(dǎo)通的狀態(tài)下，另一種必定是截止?fàn)顟B(tài)，這使得從電源端到接地端不會(huì)有直接導(dǎo)通的路徑，大量節(jié)省了電流或功率的消耗，也降低了積體電路的發(fā)熱量。

圖說：隨著電力需求的增加，提高了線束的復(fù)雜度，增加了對(duì)汽車的電線、重量以及封裝的限制。因此，每條電氣線路都要求針對(duì)短路和過載提供充足的電路保護(hù)措施，雖然，每個(gè)電氣負(fù)載理論上都可采用自身專用的熔斷器進(jìn)行保護(hù)，但是熔斷器在熔斷后必須進(jìn)行更換。

汽車電子系統(tǒng)中還有哪些問題尚待解決

◎車上系統(tǒng)的短路故障問題

如果在車上電路系統(tǒng)組件之間，一旦發(fā)生了短路故障的情況，會(huì)使得MOSFET立即關(guān)閉，短路的電流會(huì)通過MOSFET周圍來進(jìn)行分流，很容易就能發(fā)現(xiàn)故障問題的存在。不過，一旦電路系統(tǒng)的短路現(xiàn)象是屬于間歇性，或者負(fù)載為電感的情況下，電流停止時(shí)會(huì)在MOSFET上產(chǎn)生一個(gè)反激式電壓（Flyback），來加以判斷負(fù)載電感中的峰值電流是否高于正常工作時(shí)的峰值電流。因此，組件所吸收的能量會(huì)比原先預(yù)期的還要多，而多個(gè)間歇性發(fā)生短路的情況，也會(huì)轉(zhuǎn)為連續(xù)而快速發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致峰值結(jié)溫快速提高，容易對(duì)組件本身產(chǎn)生潛在性的破壞。

◎溫度過高也容易發(fā)生故障問題

組件引腳的靜電放電（ESD）、線路瞬間電流，以及電感負(fù)載開關(guān)產(chǎn)生壓力過高，另外就是過熱的問題。在眾多設(shè)備中，一旦組件的溫度過熱就容易導(dǎo)致故障的發(fā)生，甚至是引起其它組件發(fā)生故障。就像電路系統(tǒng)的短路現(xiàn)象，容易使組件發(fā)生過高的功耗，或者是在極冷、極熱的環(huán)境條件下，使組件的散熱設(shè)備或電路板間的焊錫產(chǎn)生失效情況。在這么多可能導(dǎo)致故障的情況下，具自我保護(hù)MOSFET組件的控制電路，則是在一種安全模式來加以監(jiān)測(cè)，甚至是控制組件工作情況，一旦組件臨時(shí)發(fā)生故障，還能立即修復(fù)并恢復(fù)到正常功能，甚至能夠進(jìn)一步降低汽車上的控制組件的體積尺寸，還具有提高可靠性，而傳感器方面則具有自我故障診斷、工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)及溫度感測(cè)、過電壓以及過電流斷電的保護(hù)等功能。

圖說：汽車電子的輸出系統(tǒng)在一般情況下也需要對(duì)由短路或電機(jī)堵轉(zhuǎn)所造成的過電流現(xiàn)象進(jìn)行自我保護(hù)，因此，MOSFET在設(shè)計(jì)上，采取高頻率性能、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良的設(shè)計(jì)方式。

如何在溫度過高的情況下達(dá)到自我保護(hù)作用

在一般的汽車上，所使用的過溫保護(hù)組件，是利用對(duì)溫度較為敏感的組件，如二極管的偏壓來加以實(shí)現(xiàn)。假設(shè)上述的這些組件監(jiān)測(cè)到芯片結(jié)溫溫度超過當(dāng)初所設(shè)定的數(shù)值，電路系統(tǒng)便會(huì)將具有主功率的MOSFET門極拉到接地，并在時(shí)間就關(guān)閉該組件，使其中的部份內(nèi)置組件能暫停電流傳遞動(dòng)作，待芯片的溫度稍微下降到適當(dāng)?shù)臏囟戎?，才?huì)導(dǎo)通電流至正常狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)生溫度過高的故障之后，有兩個(gè)主要問題必須要解決。

，當(dāng)溫度限制開關(guān)斷電路與電流限制電路一起協(xié)同運(yùn)作時(shí)，有可能產(chǎn)生的高溫故障問題。當(dāng)電流產(chǎn)生限制電路時(shí)，將門極節(jié)點(diǎn)的電壓增加到閥值電壓的附近，同時(shí)迫使組件進(jìn)入工作模式的情況，并在不同的組件結(jié)構(gòu)下，產(chǎn)生不同的參數(shù)值與分析的數(shù)據(jù)結(jié)果，如此便可保持電流限制的設(shè)定點(diǎn)隨時(shí)符合高電流及低功耗的特性，以滿足從機(jī)械形式進(jìn)展成機(jī)電形式的汽車電子系統(tǒng)。

對(duì)于采用熱滯后電路讓零件在過溫故障情況下循環(huán)導(dǎo)通和關(guān)閉的組件，結(jié)溫將穩(wěn)定在滯后電路高低設(shè)定點(diǎn)之間的溫度。這與高溫可靠性測(cè)試類似，都取決于組件在故障情況下的工作時(shí)間。一般來說，當(dāng)組件的可靠性下降變成一個(gè)受重視的問題時(shí)，別指望在故障情況下該組件工作幾千小時(shí)或更長時(shí)間。

第二、當(dāng)設(shè)備持續(xù)地進(jìn)行作動(dòng)，使組件的溫度過高有可能會(huì)導(dǎo)致自我保護(hù)作用失效，發(fā)生組件故障的可能情況。這是因?yàn)殛P(guān)電感負(fù)載或變壓器負(fù)載的同時(shí)，其輸出的放大功率會(huì)因?yàn)轭l率的不同，而產(chǎn)生差異與變化，此時(shí)的電路組件便會(huì)主動(dòng)吸收存儲(chǔ)在負(fù)載電感中的能量，這對(duì)于應(yīng)用在汽車電子、電路系統(tǒng)的MOSFET標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)來說，是非常重要的。因?yàn)?，一旦結(jié)溫超過內(nèi)部所能承受的溫度，組件不再具有半導(dǎo)體特性，門極的控制動(dòng)作容易產(chǎn)生錯(cuò)誤情況，除非漏極電源功率立即消失，否則晶體管門極長度縮短，會(huì)導(dǎo)致門限電壓（thresholdvoltage）因此而降低，進(jìn)而產(chǎn)生短通道效應(yīng)（short-channeleffect），將使得設(shè)備的電路組件受到破壞。

自保護(hù)的MOSFET可能遭受同樣的情況，因?yàn)楫?dāng)門極輸入電壓對(duì)控制電路進(jìn)行偏置時(shí)，由于門極偏置為零，過溫限制電路處于無效狀態(tài)。在正常工作和壞的故障情況下（如器件間歇性短路的情況），電路設(shè)計(jì)人員必須確保器件吸收的能量不超過額定值。另外，即使出現(xiàn)能量額定值，能量脈沖之間必須有足夠的時(shí)間讓結(jié)溫冷卻到初始結(jié)溫。否則，結(jié)溫在每個(gè)能量脈沖之后升高，終達(dá)到內(nèi)部故障溫度。

圖說：汽車電路架構(gòu)的未來將以42VPowerNet供電網(wǎng)絡(luò)和過渡性雙電壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略，為電氣和電子系統(tǒng)架構(gòu)提供了許多革新的機(jī)會(huì)。

，微機(jī)電的發(fā)展對(duì)汽車電力、電子設(shè)備的控制系統(tǒng)、故障自我偵測(cè)、訊號(hào)處理等，也是具有時(shí)代性的重要象征，而在電源接口也需要具有過電流的自我保護(hù)功能，展現(xiàn)目前汽車電子產(chǎn)業(yè)體系所導(dǎo)入的電源標(biāo)準(zhǔn)，并針對(duì)汽車電源的部分進(jìn)行自我保護(hù)，以防止各種類型的故障發(fā)生，如：接觸不良的電纜或接頭插入到商品時(shí)，產(chǎn)生短路或造成車上其它電子設(shè)備的損壞。由此可見，未來微機(jī)電在汽車上的應(yīng)用還會(huì)持續(xù)的發(fā)展，包括：微電子技術(shù)、電力技術(shù)等運(yùn)用到汽車上的電力、電子組件中，才能開發(fā)出更多且適合用在汽車上的電力、電子組件自我保護(hù)系統(tǒng)。

車上的電流限制可以透過使電阻保險(xiǎn)絲