功率MOSFET失效後的保護措施

輝輝仔

在穩壓器（regulator）和電機控制電路�，MOSFET通常用作功率開關元件。比如最常見的H-bridge電路就使用MOSFET作為關鍵元件，它們可以是獨立的分立元件，也可以被集成在晶片內部。普通配置會使用一個高壓側（high side）功率MOSFET和一個低壓側功率MOSFET，在圖1中這兩種MOSFET分別為M1和M2。當高壓側的MOSFET開啟，低壓側的MOSFET關閉的時候，電流從電源VCC流向電感L0。相反的，高壓側關閉，低壓側開啟，電流從L0流向地。
1.MOSFET失效引起的直通短路（shoot through）
如果高壓側和低壓側的MOSFET同時開啟就會引起嚴重的短路，這種現象被稱之為直通短路。即使我們並沒有主動的將兩個MOSFET開啟，但直通短路的現象還是會發生，比如，要控制高壓側開啟，低壓側關閉的時候，但是由於傳播延遲（propagation delay）以及給MOSFET柵極電容（gate capacitance）進行充放電的時間會造成高壓側短暫的半開（half on），低壓側短暫的半關。這時可以認為MOSFET失效，電流直接從VCC經過兩個MOSFET流向地。

圖1.帶有失效保護功能的MOSFET控制電路。
2、一種針對直通短路的保護方案
圖1顯示的半H-bridge電路加入了MOSFET失效保護措施。其中，HS driver由HS_ON信號控制高壓側MOSFET開啟或者關閉，這個信號可以由數位控制器產生，也可以由基於比較器的回饋電路產生，也或者由誤差放大器產生。
圖中，HS driver將低功率邏輯HS_ON信號轉換成高功率信號。類似的，LS_ON信號由LS driver驅動進行轉換。這個電路按順序準確的控制兩個功率MOSFET的動作，以此來控制電機系統或者buck穩壓器。
保護電路感應HS和LS FET的傳輸狀態。HS FET被阻止開啟一直到LS FET被完全關閉為止，反之亦然。在正常的工作情況下，預防直通短路的設計給H-bridge電路提供了足夠的保護，並且避免在不同雜訊干擾下或者系統產生錯誤代碼的情況下MOSFET正常工作。
為了將HS FET開啟，保護電路將信號HS_ON設置為高電平。其設計原則大致是這樣：如果感應LS FET是處於關閉狀態的話，HS_EN才被設置成高電平。HS_ON為高電平導致鎖存器（latch）LSR0輸出QZ（LS_EN）低電平，這個信號將LS FET關閉。同時，HS driver也響應HS_ON信號在HS FET的柵極與源極之間加入一個電壓（VGS）將其啟動。
HS FET的開啟狀態被高壓側的VGS監測器感應到，此時HS_IS_ON被設置成高電平，而LS_EN_RST仍然為低電平。結果是，LS_EN保持為低電平，LS FET不允許被開啟。這樣就達到一個效果，即只要HS FET被開啟，LS FET肯定不能開啟。為了讓這個電路工作，HS_ON必須也被用作NOR門的輸入（即圖中的NOR0）。這樣同時可以確保無論何時HS_ON為高電平LS_EN都保持為低電平。

在正常的工作狀況下，當HS FET要需要被開啟的時候，HS_ON和HS_IS_ON將充分的保證LS FET為關閉狀態。在實際的運用中，雜訊干擾的問題或者系統的故障通常會在控制信號中產生假信號（glitches），它使得HS_IS_ON信號變得不可靠，這時可以認為VGS監測失效，這是由於驅動器和VGS監測器（logic race）有限的回應時間造成的。在這種情況下，LS_EN_BLANK提供一個失效保險的操作，就象前面所描述的那樣。
每一次HS_ON的狀態由低轉為高電平的時候，邊緣監測器（R0，C3，AND4）產生一個20ns的脈衝信號以開啟M0一段時間，並且只啟動一次（M0，C2，INV0），它輸出一個150ns的LS_EN_BLANK脈衝信號保持LS_EN為低電平150ns，任何開啟LS FET的操作都被認為是異常的和不安全的，因此，LS FET被可靠的保持為低電平。I3UA是一個3μA的電流源，它給C2進行充電。因為觸發時間只有短短的20ns，所以150ns期間是可再觸發的，這樣在HS_ON線路�同時出現多個毛刺干擾（glitches）情況下保護仍然起到保護的作用。
雖然在這�我們用150ns作為例子，但一般來說，這種一次性（oneshot）動作的時間肯定比總體的信號傳播延遲要長，這個時間包括HS VGS監測和HS driver的時間，也包括信號在寄生元件（parasitic component）傳播的時間。同時，這個時間長度必須比正常的HS_ON脈衝寬度要短以避免正常工作中的干擾問題。為了實現系統中的可靠性問題，鎖存器LSR0同時扮演一個低通濾波器的角色，用於抑制控制環路中的雜訊。

圖2.在圖1電路基礎上的仿真結果，左邊為正常的波形，右邊為異常的波形。
在圖2中，信號波形的左邊解釋了正常的工作情況，各個信號的名稱與圖1中的標示對應。當HS_ON變為高電平的時候，driver將HS FET開啟，HS_FET_G和HS_FET_S信號變為高電平。監測電路感應到這一點，並且準確的響應HS_IS_ON以將LS FET關閉（此時LS_EN為低電平），這種狀況一直維持到HS FET被完全關閉之後，也就是HS_FET_G和HS_FET_S信號趨近於零的時候。
在圖2右邊的信號波形說明了異常的狀態。當HS_ON被雜訊或者硬體glitches終止的時候，HS FET為半開狀態。HS監測器由於其有限的回應時間而不能監測到HS FET的開啟狀態，所以它錯誤的將HS_IS_ON報告為低電平。在沒有LS_EN_BLANK的情況下，LS_EN信號將足夠的高，這將允許系統將LS FET開啟，同時HS FET仍然為半開的狀態。得益於LS_EN_BLANK脈衝信號，LS_EN保持為低電平150ns，並且在LS_EN被標示為高電平以前HS FET的柵極電壓被穩定的設置為低電平。最終的結果是，避免了直通短路的現象。
為了簡單化，圖1省略了HS_EN信號的來源，此外，簡單的使用與產生LS_EN信號相同的電路監測LS_FET_G和LS_ON信號，這個電路同時也產生HS_EN信號。

hcshih

這裡有這麼多的好東西~ 這份文件真的是值得好好研究！謝謝大大

loveriddick

感謝分享...
雖然看不到圖...
但還是很感謝拉~