淺析耗盡型MOSFET對(duì)智能變送器中DAC的供電與保護(hù)

何鋒 竇文

1. 成都方舟微電子有限公司，四川成都 610200；2. 成都信息工程大學(xué)工程實(shí)踐中心，四川成都 610200

0 前言

隨著智能變送器在工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是近年自動(dòng)駕駛汽車(chē)、醫(yī)療儀器和能源環(huán)境控制系統(tǒng)應(yīng)用的日益普及，市場(chǎng)增量的急劇增長(zhǎng)，未來(lái)其趨勢(shì)必然是向具有自動(dòng)補(bǔ)償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能的智能化、測(cè)量和控制系統(tǒng)一體的集成化、特殊環(huán)境應(yīng)用的小型化、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化以及應(yīng)用廣泛化等方向發(fā)展，同時(shí)對(duì)智能變送器的性能、品質(zhì)要求不斷提高。

傳統(tǒng)變送器僅提供標(biāo)準(zhǔn)的模擬4～20 mA二線制信號(hào)傳送，隨著微電子技術(shù)發(fā)展，HART協(xié)議下出現(xiàn)功能更強(qiáng)大的智能變送器，其特點(diǎn)是用微處理芯片完成信號(hào)的探測(cè)、變換、邏輯判斷、計(jì)算，實(shí)現(xiàn)自檢、自校正、自補(bǔ)償、自診斷，直接與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字通信，低功耗電路中采用信道復(fù)用技術(shù)，在傳輸數(shù)字信號(hào)的同時(shí)，保留4～20 mA電流環(huán)信號(hào)，數(shù)模兼容，共用一條總線進(jìn)行雙向通信。智能變送器具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、高精度、多功能的特點(diǎn)，是傳感器領(lǐng)域的一次技術(shù)飛躍，正逐步替代傳統(tǒng)變送器。因此，組成智能變送器硬件系統(tǒng)的低功耗、高精度元器件的選用是研制高性能智能變送器安全穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。其中，DAC模塊采用智能元件單點(diǎn)和多點(diǎn)的校準(zhǔn)、零點(diǎn)補(bǔ)償以及時(shí)漂在線修正等手段，大大提高了智能變送器的精度，DAC模塊自身在惡劣環(huán)境下的供電及對(duì)浪涌、瞬態(tài)干擾的抑制是整個(gè)傳感器系統(tǒng)安全、工作穩(wěn)定的關(guān)鍵保障。本文以行業(yè)中普遍使用的DAC模塊AD421為例，分析耗盡型MOSFET對(duì)DAC的供電與保護(hù)的原理及優(yōu)劣勢(shì)，給出了實(shí)際應(yīng)用需要注意的問(wèn)題及解決方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 智能變送器與DAC模塊

智能變送器以低功耗微控制器為中心，包含4個(gè)主要功能模塊：傳感器信號(hào)調(diào)理與ADC檢測(cè)模塊、人機(jī)交互、Hart通信、DAC模塊。典型硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

其中， DAC選型上采用較普及的是AD421。AD421是美國(guó)ADI公司推出的一種單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它由電流環(huán)路供電，16位數(shù)字信號(hào)串行輸入，4～20 mA電流輸出，完全符合設(shè)計(jì)智能變送器的工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出要求，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能工業(yè)控制。AD421主要具有3個(gè)功能：將微處理器的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬格式信號(hào)；環(huán)路電流的放大；從環(huán)路電源獲取穩(wěn)定的工作電壓。AD421引腳及功能如圖2所示[1]。

1.2 DAC供電與保護(hù)

DAC從環(huán)路電源獲取穩(wěn)定的工作電壓，為穩(wěn)定AD421自身電壓及發(fā)射電路其余部分供電的環(huán)路電壓，系統(tǒng)穩(wěn)壓器由一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)帶隙基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)外部耗盡型FET調(diào)整管組成。穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)功能如圖3所示。

LV引腳信號(hào)通過(guò)更改運(yùn)算放大器反相輸入端和VCC引腳之間電阻分壓器的增益來(lái)選擇VCC穩(wěn)定的目標(biāo)值。隨著LV引腳在COM和VCC之間變化，穩(wěn)壓器環(huán)路的電壓輸出標(biāo)稱值會(huì)在3 V和5 V之間變化：LV連接到COM調(diào)節(jié)電壓為5 V；LV通過(guò)一個(gè)電容連接到VCC調(diào)節(jié)電壓為3.3 V；LV連接到VCC調(diào)節(jié)電壓為 3 V。如圖3配置，可以使用的環(huán)路電壓范圍是由FET擊穿電壓和飽和電壓確定的，必須選擇外部FET的VGS(OFF)、IDSS和跨導(dǎo)等參數(shù)，以便DRIVE引腳上的運(yùn)算放大器輸出在VCC至COM的范圍擺動(dòng)時(shí)可正確控制FET工作點(diǎn)，F(xiàn)ET選型時(shí)主要特性參數(shù)要求如表1所示[2]。

表1 AD421外圍穩(wěn)壓與保護(hù)功能FET特性要求

關(guān)于FET選型，由于要求耗盡型模式（Depletion-Mode），理論上可以采用JFET，且業(yè)界對(duì)JFET的Normally-On特性比較熟悉，故一些文章推薦采用JFET。由于JFET結(jié)構(gòu)的特性，耐壓一般最高50 V，雖然JFET器件能起到穩(wěn)壓作用，但不能有效抑制較高的浪涌或瞬態(tài)干擾，在實(shí)際電路中并不能達(dá)到電路保護(hù)需求。ADI公司推薦的FET型號(hào)是Supertex制造的DN2530、DN2540、DN3545等，均 是BVDSX在 350 V、450 V的N溝道耗盡型MOSFET（Depletion-Mode MOSFET）。

提到MOSFET，工程師想到和用到的都是Normally-Off的增強(qiáng)型MOSFET，耗盡型MOSFET由于型號(hào)較少，在過(guò)去電路設(shè)計(jì)工程師對(duì)其的了解和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少，但在智能變送器DAC的穩(wěn)壓和保護(hù)中，耗盡型MOSFET是理想的選擇。

2 耗盡型MOSFET對(duì)DAC的供電與保護(hù)功能

2.1 耗盡型MOSFET工作原理

近 年 來(lái)，耗 盡 型MOSFET（Depletion-Mode MOSFET）日益受到重視，廣泛應(yīng)用于固態(tài)繼電器（NC繼電器）、“常閉”開(kāi)關(guān)、恒流源、恒壓源和開(kāi)關(guān)電源等設(shè)備中，用戶涵蓋了家用電器、消費(fèi)電子、工業(yè)控制、汽車(chē)電子、物聯(lián)網(wǎng)、電信設(shè)施和航空航天等領(lǐng)域。

耗盡型MOSFET分為2種類(lèi)型：N溝道耗盡型MOSFET，即導(dǎo)電溝道為N型，參與導(dǎo)電的是電子；P溝道耗盡型MOSFET，即導(dǎo)電溝道為P型，參與導(dǎo)電的是空穴。由于電子的遷移率遠(yuǎn)高于空穴，N溝道耗盡型MOSFET具有更強(qiáng)的電流處理能力，得到了更廣泛地運(yùn)用。近年，隨著第三代半導(dǎo)體的發(fā)展，開(kāi)始出現(xiàn)少數(shù)1,300 V以上耐壓的SiC基的耗盡型MOSFET，但成熟的產(chǎn)品還是Si基耗盡型MOSFET。以下就N溝道Si基耗盡型 MOSFET為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明其原理和應(yīng)用。

當(dāng)柵極-源極電壓VGS=0 V時(shí)，其導(dǎo)電溝道即已存在，器件處于開(kāi)通狀態(tài)，因此耗盡型器件又稱為“常開(kāi)”（Normally-on）器件。當(dāng)柵極-源極電壓｜VGS｜＜ ｜VGS(OFF)｜時(shí)（N溝道）或｜VGS｜＞｜VGS(OFF)｜（P溝道），其導(dǎo)電溝道因溝道中的載流子耗盡而消失，器件處于關(guān)斷狀態(tài)。在VGS接近VGS(OFF)時(shí)，溝道部分開(kāi)啟，工作在亞閾值狀態(tài)，利用這一特性，我們可以很方便地建立一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓調(diào)節(jié)器，具有高電壓調(diào)節(jié)范圍和穩(wěn)定的電壓輸出，耗盡型MOSFET組成的高電壓調(diào)節(jié)器如圖4所示。也可以組成一個(gè)穩(wěn)定的恒流源。同時(shí)，這種電壓源或電流源具有極佳的抗干擾能力，能有效地抑制瞬態(tài)電壓或浪涌電流[3-4]。

如圖4所示，當(dāng)VDD增加時(shí)，流過(guò)電路的電流IDS增加，導(dǎo)致耗盡型MOSFET源極電位VS升高，即VGS絕對(duì)值增加，并引起器件導(dǎo)電溝道變窄，電流增加減緩。在此過(guò)程中負(fù)載RL兩端的電壓VS無(wú)限接近器件的關(guān)斷電壓∣VGS(OFF)∣，VS≈∣VGS(OFF)∣，即VS鉗位在∣VGS(OFF)∣處，不再隨輸入電壓VDD的增加而變化。負(fù)載RL流過(guò)的電流IL（IL=VS/RL）也不隨輸入電壓VDD的增加而變化。

其中，BVDSX——耗盡型MOSFET漏源極之間的擊穿電壓；

VGS(OFF)——耗盡型MOSFET的關(guān)斷電壓；

VDD——漏極電壓。

由此看出，利用耗盡型MOSFET可以組成一個(gè)簡(jiǎn)單穩(wěn)定的高電壓輸入的電壓調(diào)節(jié)器或電流源，同時(shí)具有極佳的瞬態(tài)抑制能力。

進(jìn)一步利用運(yùn)算放大器或電壓基準(zhǔn)源，易實(shí)現(xiàn)指定的輸出電壓。運(yùn)算放大器使用示意圖如圖5所示。

Vo與Vi具有如下關(guān)系：

其中，Vi——運(yùn)算放大器輸入電壓；

Vo——運(yùn)算放大器輸出電壓。

因此，通過(guò)配置R2和R1的組合，在負(fù)載電流較小時(shí)，可確定負(fù)載的工作電壓Vs大約為：

在零柵偏即VGS=0 V時(shí)，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)柵極-源極電壓∣VGS∣＜∣VGS(OFF)∣時(shí)，器件處于關(guān)斷狀態(tài)。

2.2 耗盡型MOSFET與JFET的比較

耗盡型MOSFET與耗盡型JFET器件具備相同的Normally-On特性，是其可以在變送器的AD421供電與保護(hù)中替代JFET的基礎(chǔ)。同時(shí)將2種器件工作中的電性特性比較，MOSFET的優(yōu)勢(shì)在于：

首 先，Si基JFET器 件 耐 壓 一 般 在10～50 V，更高耐壓的JFET器件只能用Sic基實(shí)現(xiàn)（目前不普及），限制了絕大多數(shù)JFET的應(yīng)用，而Si基耗盡型 MOSFET的耐壓參數(shù)可以做到從10～1,700 V任意值。對(duì)于常用的220 V市電和380 V工業(yè)用電，在Normally On應(yīng)用中，耐壓為600 V和1,000 V的這2個(gè)系列產(chǎn)品需求廣泛，JFET器件無(wú)法滿足，耗盡型MOSFET是唯一的選擇。一般浪涌或瞬態(tài)干擾達(dá)到100 V，此時(shí)JFET已被擊穿，無(wú)法達(dá)到保護(hù)功能；

其次，由于JFET允許柵極泄漏電流為比MOSFET的柵極泄漏電流高出3個(gè)數(shù)量級(jí)，MOSFET極低的漏電流，大大降低了靜態(tài)功耗，也就極大地降低整機(jī)功耗。同時(shí)，MOSFET極低的漏電流，反應(yīng)速度更快，對(duì)浪涌或瞬態(tài)干擾的保護(hù)更靈敏有效；

再次，JFET的輸入阻抗遠(yuǎn)低于MOSFET輸入阻抗，因?yàn)镸OSFET金屬氧化物絕緣體，使得其在柵極端的電阻更高。對(duì)于電壓驅(qū)動(dòng)的FET器件，輸入阻抗越大，對(duì)電壓源的負(fù)載就越輕，因而就越容易驅(qū)動(dòng)，也不會(huì)對(duì)信號(hào)源有影響，MOSFET比JFET更具備易于驅(qū)動(dòng)、對(duì)柵極影響極小的優(yōu)勢(shì)。

MOSFET的缺點(diǎn)在于：由于其本身的輸入阻抗高，對(duì)ESD靜電極敏感，而柵-源極間電容又很小，所以極易受外界電磁場(chǎng)或靜電的感應(yīng)而帶電，又因在靜電較強(qiáng)的場(chǎng)合難于泄放電荷，容易引起靜電擊穿。所以，克服耗盡型MOSFET缺點(diǎn)，帶防靜電的ESD保護(hù)功能在耗盡型MOSFET的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中尤為重要，是器件能否正常使用的關(guān)鍵指標(biāo)。

耗盡型MOSFET具備與JFET相同的電性特點(diǎn)，但各方面性能更優(yōu)，是未來(lái)電路升級(jí)換代的理想器件。

2.3 帶ESD靜電保護(hù)功能的耗盡型MOSFET與普通耗盡型MOSFET保護(hù)功能的比較

智能變送器作為傳感器系統(tǒng)中的重要組成部分，在惡劣環(huán)境中，除了一般浪涌或瞬態(tài)干擾外，靜電干擾也是不容忽視的造成系統(tǒng)損壞的因素。由于MOSFET屬于靜電放電敏感度低的元器件，較易被靜電擊穿而損壞，在操作時(shí)稍有不當(dāng)，該MOSFET就會(huì)由于靜電損壞而失效，直接影響穩(wěn)定供電。在AD421的使用中，ADI公司特別提出DN25N使用中極易失效，需謹(jǐn)慎操作，做好嚴(yán)格靜電防護(hù)，所以自身帶靜電保護(hù)功能的耗盡型MOSFET在電路中特別重要。

3 實(shí)際應(yīng)用案例

3.1 實(shí)際電路與參數(shù)說(shuō)明

以一款常用的國(guó)產(chǎn)耗盡型MOSFET為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明其在智能變送器典型電路中為DAC模塊AD421供電，其不僅具有高電壓穩(wěn)壓和有效抑制浪涌或瞬態(tài)干擾能力，并對(duì)靜電防護(hù)具有很好的防護(hù)作用，保證系統(tǒng)安全、正常工作。

DMX1072（DMS1072）/ DMS4022E（DMX4022E）耗盡型MOSFET給環(huán)路供電型4～20 mA數(shù)模轉(zhuǎn)換電路AD421供電，如圖6所示。

DMX1072采用SOT-89封裝，主要參數(shù)為：耗散功率1 W，耐壓100 V，飽和電流大于0.7 A，導(dǎo)通電阻最大值2 Ω，如果直接用在4～ 20 mA供電環(huán)路中，可支持高達(dá)24 V的電壓輸入。電性特征曲線如圖7所示[5]。

DMS4022E采用SOT-223封裝，主要參數(shù)為：耗散功率1.5 W，耐壓400 V，飽和電流大于200 mA，導(dǎo)通電阻最大值20 Ω左右。電性曲線如圖8所示[6]。

采用DMS4022E，支持高達(dá)48 V的高電壓輸入，并同時(shí)抑制高達(dá)400 V的瞬態(tài)浪涌，對(duì)系統(tǒng)實(shí)行有效的過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)，這對(duì)于諸如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、電機(jī)控制、變頻調(diào)速等復(fù)雜電磁環(huán)境的應(yīng)用尤為重要。汽車(chē)中有許多電機(jī)，這些感性負(fù)載可能產(chǎn)生高達(dá)300 V的電壓瞬態(tài)，因此選擇DMS4022E能有效地防止瞬態(tài)干擾和破壞。

3.2 國(guó)產(chǎn)器件與進(jìn)口器件ESD能力比較

AD421應(yīng)用手冊(cè)上推薦的DN3545、DN2540、DN3525等DN25D系列，不帶ESD保護(hù)功能，而DMX1072（DMS1072）/ DMS4022E （DMX4022E）的ESD保護(hù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)采用通用的美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)JEDEC EIA / JESD22-A114（HBM），人體放電模式的ESDVESD(G-S)分別達(dá)到1,700/3,500 V，可以對(duì)各種環(huán)境下的靜電干擾起到很好的防護(hù)作用，大大增加了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

3.2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)比較

從DN2540產(chǎn)品和DMS4022E產(chǎn)品的規(guī)格書(shū)上可知，2款產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)如圖9所示[6-7]。

從各自的結(jié)構(gòu)示意圖上可以明顯看出，在DMS4022E的柵-源兩端并聯(lián)有雙向ESD保護(hù)二極管，而DN2540的柵-源結(jié)構(gòu)上沒(méi)有ESD保護(hù)設(shè)計(jì)。

3.2.2 實(shí)際ESD（HBM）測(cè)試結(jié)果比較

為進(jìn)一步驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)器件DMS4022E和進(jìn)口器件DN2540的ESD功能，分別各抽樣20顆，采用美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)關(guān)于防靜電干擾的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：JEDEC EIA/JESD22-A114，采用HBM模型進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電路原理圖如圖10所示。

測(cè)試結(jié)果如表2所示。在具體實(shí)驗(yàn)中，由于模擬的靜電高壓設(shè)備最低電壓為200 V，DN2540在200 V模擬靜電下，20顆均失效，說(shuō)明完全沒(méi)有靜電保護(hù)功能，在操作中稍有不慎，器件本身失效，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定供電和抗瞬態(tài)干擾的目的均不能實(shí)現(xiàn)；而DMS4022E在G TO S (+) 初始電壓：200 V，步長(zhǎng)：100 V條件下，3,600 V失效，G TO S (-) 初始電壓：200 V， 步長(zhǎng)：100 V條件下，3,500 V失效。按照美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)JEDEC EIA/JESD22-A114（HBM）器件電壓分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)：2級(jí)：2,000～3,999 V，3A級(jí)：4,000～8,000 V，DMS4022E完全達(dá)到2級(jí)ESD保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，接近3A級(jí)ESD保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效抑制靜電干擾，全方位保護(hù)智能變送器的性能穩(wěn)定和工作安全。

表2 DMS4022E、DN2540人體模型下ESD失效數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)智能變送器DAC供電與保護(hù)需求的分析，重點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)JET、普通耗盡型MOSFET和帶ESD功能的耗盡型MOSFET從原理、應(yīng)用和測(cè)試多角度比較，以應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明帶ESD功能的耗盡型MOSFET在變送器、接觸器等領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

雖然增強(qiáng)型功率MOSFET作為主流的開(kāi)關(guān)器件，占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)份額，但耗盡型MOSFET作為一種特殊的器件，在實(shí)現(xiàn)一些電路拓?fù)渲芯哂袩o(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于NC固態(tài)繼電器、“常閉”開(kāi)關(guān)、線形運(yùn)放、恒流源、恒壓源和開(kāi)關(guān)電源等。近年來(lái)，隨著電子電氣系統(tǒng)電源電壓的降低和綠色能源計(jì)劃的實(shí)施，系統(tǒng)的功耗設(shè)計(jì)正面臨著更加嚴(yán)苛的要求。耗盡型MOSFET由于其獨(dú)特的性能，其應(yīng)用的廣度和深度都在不斷地拓展。利用耗盡型MOSFET，可以方便地實(shí)現(xiàn)零偏置放大器，不需要偏置電路，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)成本，還大大降低了偏置電路的功耗；耗盡型MOSFET的亞閾值特性，可為負(fù)載提供穩(wěn)定的供電，且輸出電壓可由內(nèi)部鉗位，無(wú)需穩(wěn)壓管，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)；如需要負(fù)電壓開(kāi)啟，高頻開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)等特定場(chǎng)合，耗盡型MOSFET是理想選擇。目前，除智能變送器外，通信設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)接觸器、充電樁、BMS系統(tǒng)、歐標(biāo)節(jié)能LED、PD3.0充電器等逐步廣泛應(yīng)用。

一直以來(lái)，僅有國(guó)外幾家高端器件制造商：Infineon、Microchip、IXYS、Supertex生產(chǎn)耗盡型MOSFET，近年，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體制造商也設(shè)計(jì)生產(chǎn)出耗盡型MOSFET系列產(chǎn)品，如ARK公司的DMZ系列，耐壓從60～1,000 V，且所有產(chǎn)品帶ESD保護(hù)功能，彌補(bǔ)了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品極少帶ESD保護(hù)的不足，性能更加穩(wěn)定可靠，避免因靜電對(duì)整個(gè)電路造成損壞。國(guó)產(chǎn)耗盡型MOSFET器件應(yīng)用日益普及，產(chǎn)品成熟可靠，性能、品質(zhì)上都能達(dá)到進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品水平。