- 汽車電子系統(tǒng)中故障問(wèn)題
- 車用MOSFET組件保護(hù)技術(shù)
- 如何在溫度過(guò)高的情況下達(dá)到自我保護(hù)作用
- 采用熱滯后電路
- 確保器件吸收的能量不超過(guò)最大額定值
車上所使用的燈泡到繼電器、從LED顯示照明到起動(dòng)馬達(dá)，許多組件的多元應(yīng)用，不僅提供了各式各樣的高負(fù)載性、低成本效益的解決方案，另外也必須兼具注重安全性汽車所要求的通訊及診斷能力。因此，為了增加車上電子系統(tǒng)的可靠性及耐久性，除了降低維修成本之外，設(shè)計(jì)人員在功率器件中加入故障保護(hù)電路，才能避免組件發(fā)生故障，降低電子系統(tǒng)所造成損害。
另外，在一般汽車行駛的情況下，一旦出現(xiàn)了車上的組件出現(xiàn)故障狀況，將導(dǎo)致汽車上的電路系統(tǒng)發(fā)生短路，或電源無(wú)法供電。在遠(yuǎn)程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(jiǎn)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)
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(lái)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(wèn)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(lái)加以因應(yīng)。不過(guò)，以目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)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最低的系統(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(lái)完成。
在過(guò)去這幾年當(dāng)中，在汽車內(nèi)、外部安裝了電子設(shè)備，藉以控制汽車主體功能的汽車廠商持續(xù)地快速增加，使得車用半導(dǎo)體的應(yīng)用數(shù)量也有顯著的提升。而在復(fù)雜的車用電子系統(tǒng)中，幾乎所有使用的功率組件除了要能因應(yīng)環(huán)境快速的變化之外，在面對(duì)到電子產(chǎn)品關(guān)閉瞬間電流，及負(fù)載切斷電源故障所引起的高壓變化時(shí)，能有其因應(yīng)之道。
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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(guò)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(wèn)題。還有一個(gè)問(wèn)題就是車上復(fù)雜的線束問(wèn)題，在車用線束中有許多的連接器，因?yàn)槠嚿嫌性絹?lái)越大功率需求，即便是在一般的應(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(wèn)題。
為了使汽車能具有更大的電流需求，以因應(yīng)目前的潮流，使得汽車半導(dǎo)體廠商必須開(kāi)發(fā)電源MOSFET組件技術(shù)，以降低電流流動(dòng)時(shí)的電阻值，使得目前MOSFET在車用電子、電力系統(tǒng)中，已有越來(lái)越多的應(yīng)用，也不難看出其重要性。現(xiàn)階段，除了滿足車上多變的應(yīng)用環(huán)境之外，還得要順應(yīng)國(guó)際組件的標(biāo)準(zhǔn)需求，達(dá)到更有效率的能量利用率，以及最低成本的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，才能進(jìn)一步符合汽車市場(chǎng)對(duì)于功率組件的要求。因此，車用電子設(shè)計(jì)工程師在為汽車電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)的同時(shí)，除了適宜性、可靠性及耐久性等產(chǎn)品本身的問(wèn)題之外，還必須要面到各式各樣艱難的技術(shù)問(wèn)題。
汽車電子系統(tǒng)中還有哪些問(wèn)題尚待解決
◎車上系統(tǒng)的短路故障問(wèn)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(guò)MOSFET周圍來(lái)進(jìn)行分流，很容易就能發(fā)現(xiàn)故障問(wèn)題的存在。不過(guò)，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(lái)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(guò)高也容易發(fā)生故障問(wèn)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(kāi)關(guān)產(chǎn)生壓力過(guò)高，另外就是過(guò)熱的問(wèn)題。在眾多設(shè)備中，一旦組件的溫度過(guò)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(guò)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(lái)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，而在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(guò)電壓以及過(guò)電流斷電的保護(hù)等功能。
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如何在溫度過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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，并在第一時(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)臏囟戎螅艜?huì)導(dǎo)通電流至正常狀態(tài)。
當(dāng)發(fā)生溫度過(guò)高的故障之后，有兩個(gè)主要問(wèn)題必須要解決。
第一，當(dāng)溫度限制開(kāi)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(wèn)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(guò)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(lái)說(shuō)，當(dāng)組件的可靠性下降變成一個(gè)受重視的問(wèn)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(zhǎng)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(guò)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)閉電感負(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(lái)說(shuō)，是非常重要的。因?yàn)椋坏┙Y(jié)溫超過(guò)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，否則當(dāng)晶體管門極長(zhǎng)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(guò)溫限制電路處于無(wú)效狀態(tài)。在正常工作和最壞的故障情況下(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(guò)最大額定值。另外，即使出現(xiàn)最高能量額定值，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，最終達(dá)到內(nèi)部故障溫度。
最后，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(guò)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(jiàn)，未來(lái)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(kāi)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(guò)使用電阻、保險(xiǎn)絲、開(kāi)關(guān)或MOSFET組件技術(shù)來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。目前很少采用電阻保護(hù)方案，因?yàn)樗鼤?huì)在正常電流狀態(tài)下產(chǎn)生過(guò)大的電壓降。有可能采用一次性保險(xiǎn)絲方案，但是這種保護(hù)易于損壞，而且必須在產(chǎn)生故障后予以更換。雙金屬開(kāi)關(guān)的局限性在于它存在反復(fù)接通，并有可能導(dǎo)致觸點(diǎn)熔連故障。在很多汽車應(yīng)用中，最好的保護(hù)方案為MOSFET組件技術(shù)，這種組件在正常工作狀態(tài)下呈現(xiàn)低阻抗，而在產(chǎn)生故障時(shí)呈現(xiàn)高阻抗；如此一來(lái)，便能使汽車電力自我保護(hù)系統(tǒng)呈現(xiàn)最佳化的狀態(tài)。
一般來(lái)說(shuō)，在汽車上最常見(jiàn)，也最麻煩的故障問(wèn)題，就是汽車電路系統(tǒng)「短路」的故障問(wèn)題，這是因?yàn)槠囋陔娫磫?dòng)或關(guān)閉的過(guò)程中，很容易就會(huì)產(chǎn)生短路組件，而這類型的故障形式，例如：負(fù)載間的短路、開(kāi)關(guān)間的短路或電源接地的短路故障。這么說(shuō)好了，在汽車上所產(chǎn)生短路故障大部分是屬于間歇性，也就是說(shuō)在很短時(shí)間內(nèi)，有可能就會(huì)產(chǎn)生很多種不同的發(fā)生狀況；因此，可以利用MOSFET組件來(lái)解決車上電路系統(tǒng)短路的問(wèn)題。
