車用MOSFET如何提高能量利用效率與質量可靠性

電流感應

無需使用低于1歐姆的精密功率電阻測量MOSFET內部電流的現實方法就是電流感應。即使低于1歐姆的分流電阻器也會產生大量的熱損耗，影響到能量效率和整個系統的熱平衡。

在電流感應中，將MOSFET單元的一小部分用于電流測量。由于器件中的所有單元都完全相同并且漏電流在這些單元之間平均分配，因此，可以通過測量一小部分單元的電流，再乘以已知的比例系數來計算總的漏電流。

飛利浦的7腳D2PAK用于將溫度感應元件和電流感應元件連接起來。從主FET器件流向感應FET器件的電流比例稱為“感應比例”（用n表示）。通過將測量終端和源終端保持在相同電壓來定義此參數。例如，在飛利浦的TrenchPLUS器件中，此比例標稱值為550?？梢愿拇吮壤苑峡蛻舻木唧w要求。為了獲得最高的準確度，包括有些設計人員在內，都會采用虛擬接地法而不是感應電阻法。但是，對于汽車應用而言，感應電阻法提供的解決方案成本更低，因此更適合汽車應用的要求。

感應電阻法

如上所述，可以在感應輸出和開爾文源之間連接感應電阻器Rs，以便精確地測量電流。此方法提供簡單的電流到電壓的轉換，而且該轉換值可直接由微控制器的模數輸入讀取。

感應電阻器上的電壓不能大于主器件上的電壓，不過，可能需要一個運算放大器將信號放大到更適合的電平。此配置如圖3所示。

圖3：感應電阻器電流測量電路

只要運算放大器的共模范圍包括地，那么此電路就不需要負電源。

幾何感應比例n為：

其中，RDM（on）是感應FET導通電阻，等于主FET導通電阻減去源引線電阻。

附加的感應電阻器增加有效感應比例，因此該值變為n‘’‘’，計算公式為：

值得注意的是，感應信號包含開關時的錯誤峰值。這些錯誤峰值的起因是線性和完全增強的工作區域中的電流比例的差別，而且與電路有關。公式2表明，此電路中有兩大誤差源：

制造過程中n固有的誤差；

與主FET和感應FET的溫度有關。在25°C和150°C之間，功率MOSFET開啟時的導通電阻大約增加一倍。

另一方面，感應電阻器與溫度無關。因此可以看出，采用此方法時，1. 感應比例與溫度有關；2. 其誤差大于采用虛擬接地電路的誤差。

封裝方式

談論MOSFET時不能不探討封裝方式，這對于汽車應用來說尤其重要。盡管D2PAK是采用TrenchPLUS器件的原始封裝，但現在有了體積更小、熱效率更高的封裝形式。

飛利浦的SOT669 LFPAK可以從SO8的緊湊封裝面積中提供更高的散熱性能。其內部結構克服了SO8的限制。其熱阻可以與比其更大的封裝相提并論，這有助于維持盡可能低的操作溫度。LFPAK外形非常小巧——厚度僅為1.1mm，比SO8薄40%。這種創新的內部結構使其電感遠遠低于其它封裝。

40V HPA LFPAK封裝具有SO8體積小巧的優勢，同時有更大封裝（如DPAK）所具有的卓越熱性能。在傳統的功率封裝中，主要的散熱路徑是從裝配點垂直向下并進入PCB。但是，LFPAK還通過源導線向上和向外傳導大量熱量，使其熱阻遠遠低于SO8，甚至可以與大得多的封裝（如DPAK和D2PAK）相比。

本文小結

汽車電子設計工程師在其powerMOS設計中采用附加的傳感器有諸多好處。通過獲取有關芯片本地溫度/電流的信息，設計人員可以節約空間并降低系統成本。并可以在實現這一目標的同時，推進設計的范圍。通常情況下需要在成本和性能間進行折衷，而采用這種器件則無需這種考慮。

這種器件填補了簡易MOS和完全保護器件之間的空白，非常適合于各種應用，包括從汽車環境中的電動輔助轉向（EPAS）系統到主板的DC/DC轉換器。