汽車電子核心元件-MOSFET技術(shù)-KIA MOS管

新型應(yīng)用中有4大要素在推動汽車電子功率器件的演進(jìn)：足夠的關(guān)斷電壓等級 （Bvdss）、 系統(tǒng)功率要求、系統(tǒng)智能性/生存能力 （Survivability）。

產(chǎn)品和系統(tǒng)成本

一直以來，汽車電子應(yīng)用都采用Bvdss約60V的功率器件。而新的系統(tǒng)同時使用更高和更低的電壓等級，以更具成本效益的方式提供前所未有的系統(tǒng)性能。

高壓電/磁電噴射系統(tǒng)和高強(qiáng)度照明是兩種廣為流行的應(yīng)用，都需要擊穿電壓高達(dá)150V 到 300V的功率MOSFET。勢能更高的壓電和磁電燃油噴射系統(tǒng)能夠提供更準(zhǔn)確的燃油噴射和更精細(xì)的空氣/燃油混合比例，使燃燒更充分，有害排放得以降低，并最終提高性能。

相比普通白熾燈，高強(qiáng)度照明技術(shù)消耗更少的能量卻能夠產(chǎn)生更大的照明強(qiáng)度。這樣不僅可以提高駕駛?cè)藛T在夜晚或惡劣天氣條件下的能見度，同時也便于其它駕駛?cè)藛T看到自己的車輛。

除了電壓更高的汽車電子功率應(yīng)用外，車輛內(nèi)部消費應(yīng)用產(chǎn)品快速的涌現(xiàn)也對電壓范圍提出更高要求。CD/DVD播放器、衛(wèi)星無線電、手機(jī)、GPS導(dǎo)航、MP3播放器接口就是需要功率MOSFET器件的新型應(yīng)用范例。

這些應(yīng)用所需的實際功率一般低于采用更小的分立或集成式元件的功率范圍。功率器件具有它們所服務(wù)的消費產(chǎn)品的相同特征。

在上述應(yīng)用中，尺寸非常重要，故往往采用PCB封裝（其占位面積更小），或表面封裝的新型功率器件。Power 56 和 Super SOT SSOT 6等封裝普遍用于這些應(yīng)用中，在很小的封裝中提供相當(dāng)高的功率處理能力。

許多歷來是機(jī)械或液壓式的車載系統(tǒng)正在向電動或電動/液壓混合系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。首當(dāng)其沖的是散熱器風(fēng)扇。采用電動電機(jī)后，可以去掉風(fēng)扇皮帶，風(fēng)扇可利用現(xiàn)有引擎或根據(jù)冷卻劑溫度來進(jìn)行更精確地控制。

其它類似應(yīng)用還有電動助力轉(zhuǎn)向 （EPS）、集成式啟動器交流發(fā)電機(jī) （ISA） 和主動式懸掛系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向和主動式懸掛系統(tǒng)為車載系統(tǒng)設(shè)計人員提供了相當(dāng)大的靈活性，讓他們可以在多個車輛平臺上使用硬件系統(tǒng)，并通過軟件修改來改變車輛從輕便到豪華型的感覺。

這些電動/機(jī)械系統(tǒng)的特征之一是使用的功率等級極高，因此需要大電流功率開關(guān)。為了能夠以盡量小的損耗提供最高的電流轉(zhuǎn)換，這些應(yīng)用一般采用額定電壓30V 到 40V的高性能溝道型MOSFET （Trench MOSFET）。

功率MOSFET解決方案

溝道型MOSFET已成為當(dāng)前大部分車載應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。傳統(tǒng)的平面型MOSFET建立在硅晶圓表面之上，而溝道型MOSFET是在硅片上蝕刻垂直溝道，從而讓功率開關(guān)得以擁有更高的單元密度和更低的導(dǎo)通阻抗。

由于這些電子機(jī)械系統(tǒng)大多數(shù)都采用了MOSFET H橋式電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，兩個器件總是串聯(lián)以便使用電壓更低的MOSFET，同時仍然可以耐受常見的汽車高電壓沖擊現(xiàn)象。

相比60V MOSFET，這些擊穿電壓更低的器件能夠把開關(guān)的導(dǎo)通阻抗降低50%，這意味著系統(tǒng)功耗減少50%，亦即系統(tǒng)發(fā)熱減少，最終把散熱要求降至最低。

隨著車載系統(tǒng)設(shè)計人員在低電壓功率MOSFET方面累積更多的經(jīng)驗，并開始認(rèn)識到其性能和成本優(yōu)勢，低電壓功率MOSFET的應(yīng)用范圍正在向剎車和顯示屏控制等其它低功率系統(tǒng)擴(kuò)展。

現(xiàn)在的功率溝道型MOSFET的導(dǎo)通阻抗（RDS（ON）） 低至1或2mΩ。這雖然大大降低了系統(tǒng)功耗，但給車載系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了其它復(fù)雜性，包括板上布線、系統(tǒng)連接等。

同時，封裝中引線在內(nèi)的寄生阻抗給系統(tǒng)帶來的額外阻抗很可能超過了實際MOSFET的自身導(dǎo)通阻抗。要進(jìn)一步降低導(dǎo)通阻抗，獲得更高功率密度的方法之一是使用混合模塊。

當(dāng)前許多應(yīng)用都已開始放棄傳統(tǒng)的功率封裝解決方案，改為在IMS （絕緣金屬基板） 或 DBC （直接鍵合銅） 等材料制作的絕緣基板上安裝裸片。即使在使用相同功率硅芯片的情況下，相比分立式功率封裝，這些模塊提供的能量和電流能力更高。

模塊能夠提供更高密度的裸片鍵合或更大的裸片引線鍵合，可減小互連阻抗，同時又把功率元件之間的距離減至最小。這種更高能量密度的代價是元件成本較分立式封裝方案高。不過，對于高能量系統(tǒng)，系統(tǒng)尺寸和性能方面的改進(jìn)足以彌補(bǔ)器件成本增加的缺憾。

汽車電子MOSFET發(fā)展的一個最終方向是提高感測、控制和保護(hù)功率開關(guān)的性能。功率器件正集成到智能化車載系統(tǒng)中。現(xiàn)在在最低功率級別，MOSFET可以與功率器件上的感測元件一起使用。

這些感測元件能夠測量電流或溫度，并能夠連接到電子設(shè)備上從而監(jiān)控系統(tǒng)性能，并在出現(xiàn)過流或過熱情況時保護(hù)功率器件免受損害。

30V到60V范圍的低功率器件正在集成到包括串聯(lián)接口和微控制器在內(nèi)的單片式IC中。這種專用的單片IC能夠控制小型電機(jī)，甚至可能通過電機(jī)和門鎖控制整個門節(jié)點。

對于更高能量的應(yīng)用，單片式IC在成本或技術(shù)上都不可行，但可以采用創(chuàng)新的封裝解決方案來實現(xiàn)集成。通過把大功率MOSFET和控制集成電路整合在單個封裝中，可以構(gòu)建超高功率的智能系統(tǒng)。

下圖所示為目前車載系統(tǒng)中采用多芯片封裝的幾個實例。這些智能化器件可以提供更高的系統(tǒng)性能監(jiān)控能力，通過集成保護(hù)功能提高功率系統(tǒng)的可靠性。如過流、過壓和過熱保護(hù)等功能都是這類產(chǎn)品的標(biāo)配。

當(dāng)器件感測到有可能發(fā)生上述異常狀況時，能夠把功率MOSFET置于整個系統(tǒng)自我保護(hù)的環(huán)境中。此外，這些器件還集成附加診斷功能，用以監(jiān)控負(fù)載開路或短路，有助于指導(dǎo)汽車機(jī)械裝置隔離和糾正車輛中出現(xiàn)的問題。

最后，或許也是所有應(yīng)用背后最重要的推動力量及眾多此類技術(shù)可用的原因所在即產(chǎn)品和系統(tǒng)成本。在汽車業(yè)務(wù)中，有不變的推動力一直在降低產(chǎn)品和系統(tǒng)的成本。

其不僅推動元件成本的降低，也推動車輛擁有成本的降低。可靠性也是成本的推動力之一，可能導(dǎo)致線路故障或現(xiàn)場故障的低成本功率器件并不是真正的低成本器件。在選擇汽車所采用的元件時，系統(tǒng)設(shè)計人員必須把成本和可靠性作為主要的推動力量。

汽車市場已為功率和智能功率器件建立了幾個產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，如AECQ100 和 AECQ101標(biāo)準(zhǔn)。面向汽車市場開發(fā)和供應(yīng)的產(chǎn)品必須經(jīng)設(shè)計和特性化，以滿足這些嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的要求，確保終端系統(tǒng)的性能能夠滿足設(shè)計人員，更重要的是滿足車主對產(chǎn)品價值的期望。

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