自保護(hù)功率器件

為了提高系統(tǒng)可靠性并降低保修成本，設(shè)計(jì)人員在功率器件中加入故障保護(hù)電路，以免器件發(fā)生故障，避免對(duì)電子系統(tǒng)造成高代價(jià)的損害。這通常利用外部傳感器、分立電路和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是在更多情況下，設(shè)計(jì)人員使用完全自保護(hù)的MOSFET功率器件來(lái)完成。隨著技術(shù)的發(fā)展，MOSFET功率器件能夠以更低的系統(tǒng)成本提供優(yōu)異的故障保護(hù)。

圖1顯示了完全自保護(hù)MOSFET的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些器件常見(jiàn)的其他特性包括狀態(tài)指示、數(shù)字輸入、差分輸入和過(guò)壓及欠壓切斷。高端配置包括片上電荷泵功能。但是，大多數(shù)器件都具備三個(gè)電路模塊，即電流限制、溫度限制和漏-源過(guò)壓箝制，為器件提供大部分的保護(hù)。

圖1：完全自保護(hù)MOSFET的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

短路故障

最常見(jiàn)也最麻煩的故障可能是短路。這類故障有以下幾種形式：負(fù)載間的短路、開(kāi)關(guān)間的短路或電源接地的短路。而且，這些短路器件啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)都會(huì)發(fā)生。由于短路故障通常是間歇性，即使在很短時(shí)間中就存在多種形式，使問(wèn)題更為棘手。

然而，如果短路是間歇性、負(fù)載為電感的情況下，電流中斷將在MOSFET上產(chǎn)生一個(gè)反激(flyback)電壓。根據(jù)短路持續(xù)的時(shí)間和電阻，負(fù)載電感中的峰值電流可能會(huì)高于正常工作時(shí)的峰值電流。因此，器件比預(yù)期吸收更多的能量，而且多個(gè)間歇性短路事件的快速連續(xù)發(fā)生會(huì)導(dǎo)致峰值結(jié)溫急劇升高，從而對(duì)器件產(chǎn)生潛在的破壞性。

過(guò)溫故障

其他故障包括器件引腳的靜電放電(ESD)、線路瞬流或電感負(fù)載開(kāi)關(guān)引起的過(guò)壓，還有就是過(guò)熱。簡(jiǎn)言之，ESD就是電荷的快速中和，電子工業(yè)每年花在這上面的費(fèi)用有數(shù)十億美元之多。我們知道所有的物質(zhì)都由原子構(gòu)成，原子中有電子和質(zhì)子。當(dāng)物質(zhì)獲得或失去電子時(shí)，它將失去電平衡而變成帶負(fù)電或正電，正電荷或負(fù)電荷在材料表面上積累就會(huì)使物體帶上靜電。電荷積累通常因材料互相接觸分離而產(chǎn)生，也可由摩擦引起，稱為摩擦起電。

有許多因素會(huì)影響電荷的積累，包括接觸壓力、摩擦系數(shù)和分離速度等。靜電電荷會(huì)不斷積累，直到造成電荷產(chǎn)生的作用停止、電荷被泄放或者達(dá)到足夠的強(qiáng)度可以擊穿周圍物質(zhì)為止。電介質(zhì)被擊穿后，靜電電荷會(huì)很快得到平衡，這種電荷的快速中和就稱為靜電放電。由于在很小的電阻上快速泄放電壓，泄放電流會(huì)很大，可能超過(guò)20安培，如果這種放電通過(guò)集成電路或其他靜電敏感元件進(jìn)行，這么大的電流將對(duì)設(shè)計(jì)為僅導(dǎo)通微安或毫安級(jí)電流的電路造成嚴(yán)重?fù)p害。

由于有源元件(MOSFET門極氧化物接口除外)已與門極輸入引腳連接，因此漏極與源極之間短路時(shí)，此引腳的泄漏電流(50-100uA)比標(biāo)準(zhǔn)MOSFET泄漏電流的測(cè)量值( 《 50nA)大三個(gè)數(shù)量級(jí)。泄漏電流的增加通常不會(huì)對(duì)門極驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生影響，但是，門極驅(qū)動(dòng)電路必須能夠在電流限制或熱關(guān)機(jī)故障情況下驅(qū)動(dòng)足夠大的電流。在過(guò)流和過(guò)溫故障的情況下，器件一般將功率MOSFET門極節(jié)點(diǎn)電壓下拉至接近飽和的工作門限電壓或零伏，以完全關(guān)閉器件。

通常門極輸入引腳和功率MOSFET門極節(jié)點(diǎn)之間存在一個(gè)串聯(lián)電阻Rs，所以吸收的輸入電流大約等于(Vin-Vgate)/Rs。器件通常在結(jié)溫超過(guò)預(yù)設(shè)限制溫度時(shí)關(guān)閉。在這種情況下，Vgate=0伏，所以在過(guò)溫故障時(shí)必須產(chǎn)生一個(gè)等于Vin/Rs的最小源極電流。否則，內(nèi)部門極下拉電路將無(wú)法關(guān)閉功率場(chǎng)效應(yīng)管，使其結(jié)溫可能達(dá)到產(chǎn)生破壞作用的水平。