一文看懂SmartFET：功率FET的保护特性及应用

高边SmartFET的结构和设计理念，可作为了解该器件在特定应用中如何工作的指南。范围仅限于具有输出的SmartFET。本系列文章将分为四部分，此为第一部分，将介绍应用详情以及功率FET和保护，详细介绍功率元件（垂直功率FET）的物理结构以及利用功率FET所采用的不同技术。其中还会介绍该器件中集成的保护特性，这些特性可在系统故障情况下保护器件本身。

本文在解释某些概念时还提供了具体的例子和数值计算。需要注意的是，除非另有说明，否则这些示例中提到的值只应被视为典型值，而非对器件性能边界的定义。对于所有额定最大值，应参考相应的产品数据表。此外，本文中的任何布局或电路模块图示都是示例，并不一定代表实际芯片或特定器件的真实电路原理图。另外，波形进行了理想化处理，以解释特定场景下器件输入/输出的行为。

任何器件的设计流程都始于对目标应用环境的整体理解，然后围绕应用所需的性能创建规范。考虑到与应用的密切交互以及（器件性能）对外部条件的复杂依赖关系，必须采用系统级方法作为设计指南。因此，在讨论器件细节之前，必须了解应用环境、典型负载的行为及其与高边开关的相互作用。

高边 SmartFET 的“最终要求”是切换负载，针对此要求，市场上有多种不同的替代方案。例如，继电器长期用来切换各种汽车负载，尤其是那些需要大电流激活的负载。随着汽车部件和组件的重量和尺寸不断减小，从继电器过渡到半导体开关的趋势已经很明显；与继电器相比，半导体开关占用的面积更小，抗扰度更好，电磁干扰更低。

p-n 结二极管是一种易于使用的半导体开关，可以满足开关的基本要求。然而，功耗和高导通损耗使其无法成为现代汽车环境中的可行替代方案，因为现代汽车环境对提高效率和降低系统损耗具有非常激进的目标要求。此外，在切换期间，导电元件的双极性质涉及少数载流子的注入和提取，这会限制应用的速度。SCR（可控硅整流器）和三端双向可控硅开关等器件也面临类似的挑战。双极性晶体管具有高输出电流驱动能力和较低的导通损耗（相比二极管），但需要输入电流驱动，这使得其不适合用作开关元件。然而，半导体行业广泛使用它们来生成带隙和调节电压。需要以合理的高输出电流驱动实现高压击穿的应用，例如燃料点火，通常采用IGBT作为开关元件。IGBT 的输出级是双极性的，因此像任何 p-n 结一样，少数载流子提取会限制导通/关断速率。考虑到以上讨论的所有性能指标，FET 是最有可能用于切换汽车负载且应用最广泛的候选器件。输入易于驱动、高输入阻抗、快速开关和宽 SOA（安全工作区）这些特性有助于实现理想的开关性能。

图1描绘了用于切换应用负载的许多拓扑中的两种。使用高边开关时，负载始终连接到地，切换的是与电源的连接；使用低边开关时，负载始终连接到电源，切换的是与GND的连接。开关通常封装在控制单元或ECU内。负载线路是将负载连接到ECU上的引脚连接器的线缆。根据负载类型及其在车辆中的位置，此负载线路可能相当长，导致底盘接地短路的可能性加大；对于低边配置中的负载来说，这可能是一种压力很大的状况。因此，高边开关是负载切换的优先选择。此外，在系统中存在到GND的寄生阻抗路径的情况下（如后面部分所述，温度和湿度会随着时间推移而产生泄漏电阻），电源始终连接到负载的低边配置中的漏电流水平更高。随着电荷泵设计和技术的进步，将电荷泵与功率元件集成相对方便，使得N沟道FET能够以较小芯片尺寸用于高边配置。

有些应用还使用H桥开关配置来驱动双向负载，例如车门锁定/解锁电机。H桥使用两对高边和低边开关，如下图所示：

随着应用复杂性不断提高（为了向用户提供更多功能），系统发生故障的概率也在增加。这要求开关在超出预定状态的情况下进行自我保护，而超出预定状态最有可能的原因是存在系统故障状况（如输出至 GND 短路）。从成本角度来看，为开关增添智能可消除更换成本（在某些安全关键型应用中，如果某个器件失效，整个模块都需要更换），并在较长时间内降低系统成本。为功率 FET 添加控制和逻辑特性时，在器件设计阶段必须谨慎行事，以确保模块可靠性达到要求。

安森美高边 SmartFET 以单片或双芯片解决方案提供。图 3 以虚线矩形突出显示了 SmartFET 的两个部分——控制电路（由模拟控制、数字控制和电荷泵组成）和电源部分（由功率 DMOS 以及用于温度和电流检测的检测元件组成）。在单片解决方案中，顾名思义，这两个部分集成在同一基板上，而在双芯片解决方案中，这两个部分是在两个不同的基板上实现，并通过芯片间键合连接。两个芯片的相对方向和集成度取决于所需的封装尺寸和器件的长期可靠性。单片与双芯片技术部分详细介绍了这些解决方案及其优缺点。

在功率 FET 部分中，用于垂直 DMOS 的技术有平面和沟槽栅叠层两种可选（参见平面 FET 与沟槽 FET 部分）。特定器件的解决方案选择主要由给定封装的目标归一化导通状态电阻决定（对于给定硅片面积，沟槽 FET 的导通状态电阻一般比平面 FET 要低），同时要考虑其他因素，包括但不限于所需的输出电流驱动和检测能力以及芯片的热响应（有关热行为的详细信息，参见了解热网络部分）。此外，在确定用于给定器件的技术之前，还要考虑可制造性和工艺成本。安森美高边 SmartFET 的设计考虑是，性能参数、保护和诊断特性组合以及应用中期望的操作不受底层技术的影响。

这里需要强调的是，一些高边 SmartFET 配备了保险丝阵列形式的一次性可编程微调单元 (OTP)，在生产线末端对其进行编程。在“微调”过程中，首先评估“未调整”器件的性能。然后，根据与所需规格的偏差，这些微调单元（或保险丝）用作控制逻辑的输入，控制逻辑随后改变硅片性能，使其与规格严密一致。实施这样的序列可以改进时序和保护参数的容。