Mosfet auto-protetti per l’automotive

L’ambiente elettrico di un veicolo è particolarmente severo; il valore di tensione nominale della batteria di un’automobile può infatti variare da -12 Vdc (in condizioni di inversione di polarità) a +125 Vdc in presenza di transitori di carico e fenomeni di decadimento del campo induttivo. Se a ciò si aggiungono le ampie escursioni della temperatura di funzionamento, le numerose interconnessioni e un ambiente aperto che è soggetto a possibili danni imputabili alle scariche elettrostatiche provocate da interazioni con esseri umani si può chiaramente intuire che l’ambiente operativo in questione è senz’altro molto più severo rispetto a quello tipico, ad esempio, del mondo consumer. Anche se il settore automobilistico richiede soluzioni economiche e caratterizzate da un elevato livello di affidabilità, in un ambiente così potenzialmente distruttivo i semiconduttori di potenza necessari per espletare la miriade di funzioni di controllo richieste nelle moderne automobili devono affrontare problemi di notevole entità. I semiconduttori di potenza come i Mosfet standard non si sono rivelati sufficientemente robusti per molte applicazioni in campo automotive. Gli spike di tipo induttivo e i load dump sono fenomeni di natura transitoria che richiedono Mosfet di maggiori dimensioni oppure circuiti di aggancio esterni per assorbire l’energia che altrimenti potrebbe portare alla distruzione del Mosfet. Entrambe le opzioni appena descritte contribuiscono ad aumentare costo e complessità dei progetti di natura discreta. I Mosfet auto-protetti, come quello realizzati da Diodes e da altre aziende, sono in grado di affrontare questo problema grazie a topologie circuitali monolitiche che, integrando circuiti di aggancio e altre funzionalità di protezione, offrono una soluzione più affidabile, più compatta ed economica per il pilotaggio di relè, Led e altri carichi di natura induttiva.

Il pilotaggio dei relè

Il dispositivo DMN61D8LQ è un Mosfet auto-protetto che utilizza una topologia ad aggancio ospitato in package Sot23 che Diodes ha ottimizzato per soddisfare le esigenze, in termini di costo e di prestazioni, delle applicazioni di pilotaggio dei relè utilizzati nel settore automotive. Esso dispone di protezioni in ingresso contro le scariche elettrostatiche e di un circuito di aggancio attivo della tensione del drain ai capi dell’uscita. Quest’ultima è utile durante la commutazione dei relè perché, a causa della loro natura induttiva, quando si procede alla loro disattivazioni si possono generare transitori di notevoli proporzioni che potrebbero portare alla distruzioni di Mosfet non adeguatamente protetti. La stringa di diodi Zener in configurazione back to back (ovvero in opposizione) tra le connessioni di gate e di drain del Mosfet rappresenta l’elemento chiave di questa configurazione di aggancio attivo di tipo “low side”. La tensioni di aggancio è impostata dalla tensione della stringa di diodi Zener ed è progettata in modo da avere un valore inferiore rispetto a quello della tensione che provoca il fenomeno del breakdown a valanga della giunzione tra drain e source del Mosfet ma comunque sia abbastanza elevato in modo da non poter essere innescato durante il funzionamento normale. Ciò significa che quando il Mosfet è spento, ovvero l’ingresso al dispositivo è a massa e la tensione del pin di drain aumenta a un valore superiore di quello della tensione della stringa di diodi Zener, la corrente scorrerà attraverso quest’ultima e il resistore di ingresso verso massa. Quindi, poiché la tensione risultante generata al gate del Mosfet si avvicina a quella di soglia, il Mosfet inizierà ad accendersi e ad assorbire la corrente del carico. Ciò assicura che l’energia induttiva provocata dalla disattivazione del relè viene assorbita dal Mosfet di potenza quando opera nella propria regione attiva e non dissipata più localmente in modalità a valanga, quando è applicate una tensione inversa. Poiché la tensione di aggancio è inferiore a quella che provoca l’effetto valanga, il Mosfet dissipa meno potenza istantanea in modalità “clamp” rispetto alla modalità “a valanga” garantendo così una più efficiente gestione dell’energia.

Il pilotaggio delle lampade

Al fine di contribuire in modo più efficace alla soluzione del problema dei transitori, i Mosfet auto-protetti come il dispositivo ZXMS6004FFQ di Diodes utilizza una topologia completamente protetta che integra circuiti di protezione contro sovra-temperature e sovra-correnti. Questi vanno ad aggiungersi ai circuiti di protezione degli ingressi contro sovra-tensioni e scariche elettrostatiche. Si tratta di un componente innovativo in quanto è ospitato in un package Sot23, le cui dimensioni sono sei volte inferiori rispetto a quelle di un componente analogo in package Sot223. Questo Mosfet auto-protetto utilizza un sensore di temperatura e un circuito di arresto termico che assicurano la protezione contro le sovra-temperature. Il circuito è attivo quando il Mosfet è acceso e viene innescato una volta superata la temperature di soglia, solitamente pari a 175°C. A questo punto il Mosfet viene spento, interrompendo in tal modo il flusso di corrente per limitare ulteriormente la dissipazione di calore. Un circuito di isteresi integrato consente all’uscita di ritornare automaticamente nello stato di “on” non appena il dispositivo si è raffreddato di circa 10 °C. Una lampada a incandescenza è caratterizzata da un basso valore di resistenza quando è spenta, valore che aumenta rapidamente quando la lampada viene accesa e comincia a scaldarsi. La protezione contro le sovracorrenti effettuata mediante un circuito per la limitazione della corrente, non solo garantisce la protezione contro condizioni di guasto ma permette di evitare il manifestarsi di correnti di spunto (in-rush) di elevata intensità imputabili alla bassa resistenza della lampada in fase di accensione. Il circuito per la limitazione della corrente rileva il sensibile incremento della tensione tra drain e source del Mosfet  dovuta a un’eccessiva corrente di carico e contrasta tale fenomeno riducendo l’intensità di pilotaggio del gate e limitando la corrente di drain. In tal modo è possibile proteggere il Mosfet e aumentare la durata della lampada. Anche se questi circuiti di protezione sono realizzati in modo indipendente, normalmente operano in combinazione. La regolazione delle sovracorrenti, per esempio, può operare per un certo periodo ma non impedire che la temperatura alla fine raggiunga il valore di soglia: a questo punto inizieranno i cicli di sovra-temperatura. Grazie alle loro caratteristiche di protezione integrate, i Mosfet auto-protetti si propongono come una soluzione efficace per la commutazione dei carichi in un’ampia gamma di applicazioni automotive. Le loro caratteristiche intrinseche permettono di aumentare l’affidabilità del sistema mentre le piccole dimensioni dei dispositivi proposti da Diodes, offerti in package Sot23, assicurano sensibili risparmi in termini di costi e di ingombri rispetto ad analoghi dispositivi presenti sul mercato.

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