运用MOSFET实现完美安全系统

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    车上所使用的灯泡到继电器、从LED显示照明到起动马达,许多组件的多元应用,不仅提供了各式各样的高负载性、低成本效益的解决方案,另外也必须兼具注重安全性汽车所要求的通讯及诊断能力。

        因此,为了增加车上电子系统的可靠性及耐久性,除了降低维修成本之外,设计人员在功率器件中加入故障保护电路,才能避免组件发生故障,降低电子系统所造成损害。

  另外,在一般汽车行驶的情况下,一旦出现了车上的组件出现故障状况,将导致汽车上的电路系统发生短路,或电源无法供电。在远程传感器中采用车用金属氧化半导体场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;以下简称MOSFET)组件技术后,将能适时地保护发生故障的组件,或者在汽车线束及故障组件之间形成一个很高的阻抗,降低故障的发生率。

  车用MOSFET组件与自我保护技术

  新车型的设计在某种程度上依赖电子电路的设计,用来降低成本、提高可靠性及丰富功能,另一方面也随着电气及电子系统不断地增加,以及它们占大部分汽车成本和重量的现实情况,使得电路保护设计成为设计工作中的一个关键因素。因此,为了汽车上组件适用性的问题,一般汽车组件的设计工程师大都会使用外部传感器、分立电路或者是使用软件来加以因应。不过,以目前的发展趋势来看,随着技术持续的发展,MOSFET这可归类在多载式导电的单极型电压控制组件,除了具有高频率性能、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良等优点之外,还能使功率组件更能够符合最低的系统成本,藉以达到更为优异的故障自我保护系统。因此,大部分的设计人员转而采用具有保护作用的MOSFET功率组件来完成。

一般的汽车电路系统架

  图说:一般的汽车电路系统架构,大致上可简单分为嵌入式与便利端口等两种形式,而目前所使用的技术规范中,定义了MOSFET组件的技术规范。

  在过去这几年当中,在汽车内、外部安装了电子设备,藉以控制汽车主体功能的汽车厂商持续地快速增加,使得车用半导体的应用数量也有显著的提升。而在复杂的车用电子系统中,几乎所有使用的功率组件除了要能因应环境快速的变化之外,在面对到电子产品关闭瞬间电流,及负载切断电源故障所引起的高压变化时,能有其因应之道。

  另外,还有一点就是当车内的环境工作温度一旦超过100℃∼120℃的时候(如:引擎室、轮胎周围等),很容易就会产生组件结温的情形,进而影响到组件的可靠度及其它可能发生故障的问题。还有一个问题就是车上复杂的线束问题,在车用线束中有许多的连接器,因为汽车上有越来越大功率需求,即便是在一般的应用条件下,组件所要承受的压力相对提高,也很有可能造成组件电气连接发生间断性的故障问题。

  为了使汽车能具有更大的电流需求,以因应目前的潮流,使得汽车半导体厂商必须开发电源MOSFET组件技术,以降低电流流动时的电阻值,使得目前 MOSFET在车用电子、电力系统中,已有越来越多的应用,也不难看出其重要性。现阶段,除了满足车上多变的应用环境之外,还得要顺应国际组件的标准需求,达到更有效率的能量利用率,以及最低成本的应用优势,才能进一步符合汽车市场对于功率组件的要求。因此,车用电子设计工程师在为汽车电子产品设计电力系统的同时,除了适宜性、可靠性及耐久性等产品本身的问题之外,还必须要面到各式各样艰难的技术问题。

电路保护措施

  图说:随着电力需求的增加,提高了线束的复杂度,增加了对汽车的电线、重量以及封装的限制。因此,每条电气线路都要求针对短路和过载提供充足的电路保护措施,虽然,每个电气负载理论上都可采用自身专用的熔断器进行保护,但是熔断器在熔断后必须进行更换。

  汽车电子系统中还有哪些问题尚待解决

  ·车上系统的短路故障问题

  如果在车上电路系统组件之间,一旦发生了短路故障的情况,会使得MOSFET立即关闭,短路的电流会通过MOSFET周围来进行分流,很容易就能发现故障问题的存在。不过,一旦电路系统的短路现象是属于间歇性,或者负载为电感的情况下,电流停止时会在MOSFET上产生一个反激式电压(Flyback),来加以判断负载电感中的峰值电流是否高于正常工作时的峰值电流。因此,组件所吸收的能量会比原先预期的还要多,而多个间 歇性发生短路的情况,也会转为连续而快速发生,进而导致峰值结温快速提高,容易对组件本身产生潜在性的破坏。

        ·温度过高也容易发生故障问题

  组件引脚的静电放电(ESD)、线路瞬间电流,以及电感负载开关产生压力过高,另外就是过热的问题。在众多设备中,一旦组件的温度过热就容易导致故障的发生,甚至是引起其它组件发生故障。就像电路系统的短路现象,容易使组件发生过高的功耗,或者是在极冷、极热的环境条件下,使组件的散热设备或电路板间的焊锡产生失效情况。在这么多可能导致故障的情况下,具自我保护MOSFET组件的控制电路,则是在一种安全模式来加以监测,甚至是控制组件工作情况,一旦组件临时发生故障,还能立即修复并恢复到正常功能,甚至能够进一步降低汽车上的控制组件的体积尺寸,还具有提高可靠性,而在传感器方面则具有自我故障诊断、工作状态监测及温度感测、过电压以及过电流断电的保护等功能。

过电流现象进行自我保护

  图说:汽车电子的输出系统在一般情况下也需要对由短路或电机堵转所造成的过电流现象进行自我保护,因此,MOSFET在设计上,采取高频率性能、输入阻抗高、 驱动功率小、热稳定性优良的设计方式。

  如何在温度过高的情况下达到自我保护作用

  在一般的汽车上,所使用的过温保护组件,是利用对温度较为敏感的组件,如:二极管的偏压来加以实现。假设上述的这些组件监测到芯片结温温度超过当初所设定的数值,电路系统便会将具有主功率的MOSFET门极拉到接地,并在第一时间就关闭该组件,使其中的部份内置组件能暂停电流传递动作,待芯片的温度稍微下降到适当的温度之后,才会导通电流至正常状态。

  当发生温度过高的故障之后,有两个主要问题必须要解决。第一,当温度限制开关断电路与电流限制电路一起协同运作时,有可能产生的高温故障问题。当电流产生限制电路时,将门极节点的电压增加到阀值电压的附近,同时迫使组件进入工作模式的情况,并在不同的组件结构下,产生不同的参数值与分析的数据结果,如此便可保持电流限制的设定点随时符合高电流及低功耗的特性,以满足从机械形式进展成机电形式的汽车电子系统。

  对于采用热滞后电路让零件在过温故障情况下循环导通和关闭的组件,结温将稳定在滞后电路高低设定点之间的温度。这与高温可靠性测试类似,都取决于组件在故障情况下的工作时间。一般来说,当组件的可靠性下降变成一个受重视的问题时,别指望在故障情况下该组件工作几千小时或更长时间。

  第二、当设备持续地进行作动,使组件的温度过高有可能会导致自我保护作用失效,发生组件故障的可能情况。这是因为关闭电感负载或变压器负载的同时,其输出的放大功率会因为频率的不同,而产生差异与变化,此时的电路组件便会主动吸收存储在负载电感中的能量,这对于应用在汽车电子、电路系统的MOSFET标准组件系统来说,是非常重要的。因为,一旦结温超过内部所能承受的温度,组件不再具有半导体特性,门极的控制动作容易产生错误情况,除非漏极电源功率立即消失,否则当晶体管门极长度缩短,会导致门限电压(threshold voltage)因此而降低,进而产生短通道效应(short-channel effect),将使得设备的电路组件受到破坏。

  自保护的MOSFET可能遭受同样的情况,因为当门极输入电压对控制电路进行偏置时,由于门极偏置为零,过温限制电路处于无效状态。在正常工作和最坏的故障情况下(如器件间歇性短路的情况),电路设计人员必须确保器件吸收的能量不超过最大额定值。另外,即使出现最高能量额定值,能量脉冲之间必须有足够的时间让结温冷却到初始结温。否则,结温在每个能量脉冲之后升高,最终达到内部故障温度。

42V PowerNet供电网络和过渡性双电压网络进行转变的战略

  图说:汽车电路架构的未来将以42V PowerNet供电网络和过渡性双电压网络进行转变的战略,为电气和电子系统架构提供了许多革新的机会。

  结论

  最后,微机电的发展对汽车电力、电子设备的控制系统、故障自我侦测、讯号处理等,也是具有时代性的重要象征,而在电源接口也需要具有过电流的自我保护功能,展现目前汽车电子产业体系所导入的电源标准,并针对汽车电源的部分进行自我保护,以防止各种类型的故障发生,如:接触不良的电缆或接头插入到商品时,产生短路或造成车上其它电子设备的损坏。由此可见,未来微机电在汽车上的应用还会持续的发展,包括:微电子技术、电力技术等运用到汽车上的电力、电子组件中,才能开发出更多且适合用在汽车上的电力、电子组件自我保护系统。

  车上的电流限制可以透过使用电阻、保险丝、开关或MOSFET组件技术来加以实现。目前很少采用电阻保护方案,因为它会在正常电流状态下产生过大的电压降。有可能采用一次性保险丝方 案,但是这种保护易于损坏,而且必须在产生故障后予以更换。双金属开关的局限性在于它存在反复接通,并有可能导致触点熔连故障。在很多汽车应用中,最好的保护方案为MOSFET组件技术,这种组件在正常工作状态下呈现低阻抗,而在产生故障时呈现高阻抗;如此一来,便能使汽车电力自我保护系统呈现最佳化的状态。

       一般来说,在汽车上最常见,也最麻烦的故障问题,就是汽车电路系统「短路」的故障问题,这是因为汽车在电源启动或关闭的过程中,很容易就会产生短路组件,而这类型的故障形式,例如:负载间的短路、开关间的短路或电源接地的短路故障。这么说好了,在汽车上所产生短路故障大部分是属于间歇性,也就是说在很短时间内,有可能就会产生很多种不同的发生状况;因此,可以利用MOSFET组件来解决车上电路系统短路的问题。

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