為功率MOSFET增加自動(dòng)防故障擊穿保護(hù)

　　MOSFET作為功率開關(guān)元件廣泛應(yīng)用于調(diào)節(jié)器和馬達(dá)控制器。在各種H橋配置中，它們不僅可是分立器件也可集成到IC。

　　一般采用一個(gè)高側(cè)(HS)功率MOSFET，M1和一個(gè)低側(cè)(LS)MOSFET，M2的配置來驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載(圖1)。當(dāng)HS FET開啟，LS FET關(guān)閉時(shí)，從電源VCC出來的電流經(jīng)電感L0流出。當(dāng)HS FET關(guān)閉，LS FET開啟時(shí)，電感電流繼續(xù)同時(shí)從零點(diǎn)流入L0。

　　當(dāng)HS和LS功率FET同時(shí)開啟時(shí)，會(huì)發(fā)生所謂擊穿的嚴(yán)重短路的情況。即使我們從未打算同時(shí)開啟兩個(gè)FET，也可能發(fā)生擊穿。例如，當(dāng)指令開啟HS FET，關(guān)閉LS FET時(shí)，邏輯傳播延遲，當(dāng)HS FET半開啟，LS FET半關(guān)閉時(shí)，給FET的門電容充電或放電需要一個(gè)較短的時(shí)間。如果這樣，電流直接從VCC經(jīng)過兩個(gè)FET流入GND(擊穿)。

　　圖1中，將我們?yōu)樽詣?dòng)防故障MOSFET擊穿保護(hù)所做的設(shè)計(jì)嵌入到半H橋拓?fù)洹?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/HS_ON">HS_ON信號(hào)通過HS驅(qū)動(dòng)器開啟和關(guān)閉HS FET，它是由一個(gè)數(shù)字微控制器或由一個(gè)含有比較器或錯(cuò)誤放大器的反饋回路產(chǎn)生的。

　　HS驅(qū)動(dòng)器將低功率邏輯水平信號(hào)轉(zhuǎn)化為高功率HS_ON信號(hào)。同樣，LS_ON信號(hào)通過LS驅(qū)動(dòng)器開啟和關(guān)閉LS FET。電路通過使兩個(gè)功率MOSFET具有正確的順序，來控制馬達(dá)系統(tǒng)或者三相調(diào)節(jié)器。

　　該保護(hù)配置自動(dòng)檢測到HS和LS FET的傳導(dǎo)狀態(tài)。除非LS器件完全關(guān)閉，HS FET禁止開啟，反之亦然。我們的反擊穿設(shè)計(jì)在正常工作過程中充分保護(hù)了MOSFET H橋，在系統(tǒng)中有多個(gè)噪聲干擾或者錯(cuò)誤控制程序的情況下，保證了自動(dòng)防故障的運(yùn)行。

　　為了開啟HS FET，系統(tǒng)將信號(hào)HS_ON設(shè)為高值。這個(gè)設(shè)計(jì)是這樣的：如果LS FET關(guān)閉(在此后更久)，HS_EN為高值。HS_ON高值致使鎖LSR0裝置的輸出端QZ(LS_EN)為低值，使得LS FET不工作。同樣應(yīng)這種HS_ON的要求，HS驅(qū)動(dòng)器通過用電壓穿過HS FET的門和源極(VGS)來開啟它。

　　通過HS VGS監(jiān)測器來檢測HS FET的開啟狀態(tài)，所以HS_IS_ON的信號(hào)探測到是高值，LS_EN_RST保持為低值。最終結(jié)果是LS_EN保持低值，而不允許開啟LS FET。只要HS FET開啟，LS FET就不可以運(yùn)行。為了使該配置運(yùn)行，HS_ON必須用于NOR門(NOR0)輸入。這也確保只要HS_ON為高值時(shí)，LS_EN就得保持低值。

　　正常條件下，當(dāng)準(zhǔn)備開啟或已開啟HS FET時(shí)，HS_ON 和 HS_IS_ON足夠保持LS FET關(guān)閉。實(shí)際應(yīng)用中，噪聲干擾(或系統(tǒng)錯(cuò)誤)的出現(xiàn)常常會(huì)在控制信號(hào)中產(chǎn)生小故障，由于驅(qū)動(dòng)器和VGS監(jiān)測器(邏輯型)的有限響應(yīng)時(shí)間，使得HS_IS_ON不可靠(VGS監(jiān)測器失效)。在這種情況下，LS_EN_BLANK保證了自動(dòng)防故障的運(yùn)行，如下所述。

　　每次HS_ON從低值轉(zhuǎn)為高值時(shí)，一個(gè)邊緣探測器(R0, C3, AND4)產(chǎn)生了一個(gè)短時(shí)間的20-ns的脈沖來開啟M0，開始一個(gè)脈沖周期(M0, C2, INV0)，輸出一個(gè)150-ns的 LS_EN_BLANK脈沖來使LS_EN在低值保持150ns。在這個(gè)150ns中，任何企圖開啟LS FET的操作都是反常的不安全的操作。因此，LS FET穩(wěn)定地保持關(guān)閉。I3UA是一個(gè)給C2充電的3-?A的電流源。由于20ns的短觸發(fā)脈沖，150ns過后是再次觸發(fā)。這確保即使在HS_ON線上出現(xiàn)多干擾小故障的情況下，該保護(hù)電路能正常運(yùn)行。

　　躍然我們這里以150ns為例，一般來說，一個(gè)脈沖周期必須長于HS VGS監(jiān)測器和HS驅(qū)動(dòng)器，包括所有寄生元件貢獻(xiàn)的總信號(hào)傳播延遲。但是這一周期的長度要短于正常的HS_ON脈沖寬度，以避免干擾正常運(yùn)行。為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，用鎖LSR0作為低通濾波器來過濾控制回路中的噪聲。

　　在圖2中，信號(hào)的第一欄(左邊)表示正常運(yùn)行。信號(hào)名對(duì)應(yīng)圖1。當(dāng)HS_ON走高，命令驅(qū)動(dòng)器開啟HS FET時(shí)，HS_FET_G-HS_FET_S升高。監(jiān)測電路探測到后，正確地顯示HS_IS_ON從而關(guān)閉LS FET(LS_EN為低值)，直到HS FET完全關(guān)閉之后(HS_FET_G-HS_FET_S 接近零)。

　　信號(hào)的第二欄(右邊)表示反常運(yùn)行。當(dāng)HS_ON指令由于噪聲或固件失靈而過早停止時(shí)，HS FET處于半開狀態(tài)。HS監(jiān)測器不能探測到這個(gè)HS FET處于開啟狀態(tài)，因?yàn)樗挠邢揄憫?yīng)時(shí)間，所以它錯(cuò)誤地顯示HS_IS_ON為低值。沒有LS_EN_ BLANK，LS_EN信號(hào)將會(huì)變高，允許系統(tǒng)在HS FET仍半開時(shí)開啟LS FET。由于LS_EN_ BLANK脈沖，LS_EN保持150ns的低值，允許HS FET門電壓在LS_EN成為高值之間設(shè)為低值。結(jié)果避免了擊穿。

　　出于簡單，圖1省去了驅(qū)動(dòng)HS_EN的電路塊。簡單地采用相同的電路發(fā)出LS_EN信號(hào)監(jiān)測LS_FET_G，以及LS_ON信號(hào)產(chǎn)生HS_EN信號(hào)。