完全自保护MOSFET功率器件分析-电子技术方案|电路图讲解

为了提高系统可靠性并降低保修成本，设计人员在功率器件中加入故障保护电路，以免器件发生故障，避免对电子系统造成高代价的损害。这通常利用外部传感器、分立电路和软件来实现，但是在更多情况下，设计人员使用完全自保护的MOSFET功率器件来完成。随着技术的发展，MOSFET功率器件能够以更低的系统成本提供优异的故障保护。

图1显示了完全自保护MOSFET的一般拓扑结构。这些器件常见的其他特性包括状态指示、数字输入、差分输入和过压及欠压切断。高端配置包括片上电荷泵功能。但是，大多数器件都具备三个电路模块，即电流限制、温度限制和漏-源过压箝制，为器件提供大部分的保护。

图1：完全自保护MOSFET的一般拓扑结构。

短路故障

最常见也最麻烦的故障可能是短路。这类故障有以下几种形式：负载间的短路、开关间的短路或电源接地的短路。而且，这些短路器件启动和关闭时都会发生。由于短路故障通常是间歇性，即使在很短时间中就存在多种形式，使问题更为棘手。

然而，如果短路是间歇性、负载为电感的情况下，电流中断将在MOSFET上产生一个反激（flyback）电压。根据短路持续的时间和电阻，负载电感中的峰值电流可能会高于正常工作时的峰值电流。因此，器件比预期吸收更多的能量，而且多个间歇性短路事件的快速连续发生会导致峰值结温急剧升高，从而对器件产生潜在的破坏性。

过温故障

其他故障包括器件引脚的静电放电（ESD）、线路瞬流或电感负载开关引起的过压，还有就是过热。简言之，ESD就是电荷的快速中和，电子工业每年花在这上面的费用有数十亿美元之多。我们知道所有的物质都由原子构成，原子中有电子和质子。当物质获得或失去电子时，它将失去电平衡而变成带负电或正电，正电荷或负电荷在材料表面上积累就会使物体带上静电。电荷积累通常因材料互相接触分离而产生，也可由摩擦引起，称为摩擦起电。

有许多因素会影响电荷的积累，包括接触压力、摩擦系数和分离速度等。静电电荷会不断积累，直到造成电荷产生的作用停止、电荷被泄放或者达到足够的强度可以击穿周围物质为止。电介质被击穿后，静电电荷会很快得到平衡，这种电荷的快速中和就称为静电放电。由于在很小的电阻上快速泄放电压，泄放电流会很大，可能超过20安培，如果这种放电通过集成电路或其他静电敏感元件进行，这么大的电流将对设计为仅导通微安或毫安级电流的电路造成严重损害。

由于有源元件（MOSFET门极氧化物接口除外）已与门极输入引脚连接，因此漏极与源极之间短路时，此引脚的泄漏电流（50-100uA）比标准MOSFET泄漏电流的测量值（《50nA）大三个数量级。泄漏电流的增加通常不会对门极驱动电路产生影响，但是，门极驱动电路必须能够在电流限制或热关机故障情况下驱动足够大的电流。在过流和过温故障的情况下，器件一般将功率MOSFET门极节点电压下拉至接近饱和的工作门限电压或零伏，以完全关闭器件。

通常门极输入引脚和功率MOSFET门极节点之间存在一个串联电阻Rs，所以吸收的输入电流大约等于（Vin-Vgate）/Rs.器件通常在结温超过预设限制温度时关闭。在这种情况下，Vgate=0伏，所以在过温故障时必须产生一个等于Vin/Rs的最小源极电流。否则，内部门极下拉电路将无法关闭功率场效应管，使其结温可能达到产生破坏作用的水平。

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凡是模拟设计师恐怕都有通过标准阻值电阻的串联/并联得到非标准阻值的经验吧？为了尽量避免生产中的调试工作，我们可以使用0.1%精度的电阻得到精密分压器。为了获得非标准阻值，将两个或更多个电阻串联起来是很好的一个方法——总的电阻值就是它们的和，因此计算非常容易。有效值是较大的电阻，串联中的小值电阻用于精细调整。

即使是日常生活琐事，比如修理绕线散热电阻出现开路的老式真空管电子琴，从废料箱中找出一串5W电阻然后将它们焊接在一起也能挽救大局。当然，随着热量的散发，这些电阻还能比原始器件冷却得更快。

并联电阻的计算稍微难一点，计算公式是RTOTAL = （R1×R2） / （R1 + R2）。并联非常适合像稳压器等需要人工微调的电路，这时经常需要拿一个大值电阻与小值电阻并联焊接在一起。这对于大规模生产来说并不是一个好方法，但对于一种一个的装置来说是极好的，而可调电位器的取消意味着今后的校准工作会更加方便。

Martin Rowe给我出了一个不大不小的问题：“只用1kΩ电阻可以组合得到多少值？”

好吧，这听起来很有趣，也是我以前从未认真考虑过的事。我立马来劲了，想要知道多达10个1kΩ电阻在各种串联/并联组合下的值。但做到5个电阻时，可能的排列组合就变得让人难以应付了。

那么n个1kΩ电阻究竟能得出多少个排列组合呢？

首先最明显的排列是全部串联和全部并联。当n=2时，可能的排列是两个值（图1）。

两个电阻，两种组合。这个很简单。

当n=3时，有4种可能的排列。快速计算技巧——当所有电阻都是相同值时，它们的等效电阻是它们的值除以并联电阻的数量。将电路分解为小的串联/并联电阻对，然后一步步算出最终的等效电阻值。成对的使用能使并联计算容易得多（图2）。

3个电阻，4种组合。

当n=4时，排列数字很快增加到9种（图3）。我想我已经覆盖了所有变化，但如果有人发现还有遗漏的，请通过评论让我知道。

4个电阻产生9种组合。

最右边的组合结果是1000Ω，与单个电阻相同。这种组合的优势是通过使用4个电阻，散热能力增加了4倍，耐压能力则翻倍。当你想要全部使用贴片电阻时，这是一个很有用的技巧。

当电阻数量增加到n=5时，排列数量增加到23，假设我没有忽略任何可能性的话。同样，如果你发现还有新的排列，请在评论中告诉我。

5个电阻我想出了23种组合。还有其它组合吗？

这时我认识到，我是没有希望达到我设定的10个电阻这个目标了，即使达到也没有足够的纸让我把各种组合全部画出来。也许一些数学奇才有办法计算出n个电阻时可能的排列组合数量，那就请他不吝赐教了。

你能给出任意数量的串联/并联电阻时的排列数量公式吗？

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