淺析耗盡型MOSFET對智能變送器中DAC的供電與保護

何鋒 竇文

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

0 前言

隨著智能變送器在工業控制、物聯網、軌道交通、航空航天等領域的廣泛應用，特別是近年自動駕駛汽車、醫療儀器和能源環境控制系統應用的日益普及，市場增量的急劇增長，未來其趨勢必然是向具有自動補償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能的智能化、測量和控制系統一體的集成化、特殊環境應用的小型化、設計與生產標準化以及應用廣泛化等方向發展，同時對智能變送器的性能、品質要求不斷提高。

傳統變送器僅提供標準的模擬4～20 mA二線制信號傳送，隨著微電子技術發展，HART協議下出現功能更強大的智能變送器，其特點是用微處理芯片完成信號的探測、變換、邏輯判斷、計算，實現自檢、自校正、自補償、自診斷，直接與計算機進行數字通信，低功耗電路中采用信道復用技術，在傳輸數字信號的同時，保留4～20 mA電流環信號，數模兼容，共用一條總線進行雙向通信。智能變送器具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、高精度、多功能的特點，是傳感器領域的一次技術飛躍，正逐步替代傳統變送器。因此，組成智能變送器硬件系統的低功耗、高精度元器件的選用是研制高性能智能變送器安全穩定工作的關鍵。其中，DAC模塊采用智能元件單點和多點的校準、零點補償以及時漂在線修正等手段，大大提高了智能變送器的精度，DAC模塊自身在惡劣環境下的供電及對浪涌、瞬態干擾的抑制是整個傳感器系統安全、工作穩定的關鍵保障。本文以行業中普遍使用的DAC模塊AD421為例，分析耗盡型MOSFET對DAC的供電與保護的原理及優劣勢，給出了實際應用需要注意的問題及解決方案。

1 系統結構

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個主要功能模塊：傳感器信號調理與ADC檢測模塊、人機交互、Hart通信、DAC模塊。典型硬件設計如圖1所示。

其中， DAC選型上采用較普及的是AD421。AD421是美國ADI公司推出的一種單片高性能數模轉換器，它由電流環路供電，16位數字信號串行輸入，4～20 mA電流輸出，完全符合設計智能變送器的工業控制標準信號輸出要求，可實現遠程智能工業控制。AD421主要具有3個功能：將微處理器的數字數據轉換成模擬格式信號；環路電流的放大；從環路電源獲取穩定的工作電壓。AD421引腳及功能如圖2所示[1]。

1.2 DAC供電與保護

DAC從環路電源獲取穩定的工作電壓，為穩定AD421自身電壓及發射電路其余部分供電的環路電壓，系統穩壓器由一個運算放大器、一個帶隙基準電壓源和一個外部耗盡型FET調整管組成。穩壓器結構功能如圖3所示。

LV引腳信號通過更改運算放大器反相輸入端和VCC引腳之間電阻分壓器的增益來選擇VCC穩定的目標值。隨著LV引腳在COM和VCC之間變化，穩壓器環路的電壓輸出標稱值會在3 V和5 V之間變化：LV連接到COM調節電壓為5 V；LV通過一個電容連接到VCC調節電壓為3.3 V；LV連接到VCC調節電壓為 3 V。如圖3配置，可以使用的環路電壓范圍是由FET擊穿電壓和飽和電壓確定的，必須選擇外部FET的VGS(OFF)、IDSS和跨導等參數，以便DRIVE引腳上的運算放大器輸出在VCC至COM的范圍擺動時可正確控制FET工作點，FET選型時主要特性參數要求如表1所示[2]。

表1 AD421外圍穩壓與保護功能FET特性要求

關于FET選型，由于要求耗盡型模式（Depletion-Mode），理論上可以采用JFET，且業界對JFET的Normally-On特性比較熟悉，故一些文章推薦采用JFET。由于JFET結構的特性，耐壓一般最高50 V，雖然JFET器件能起到穩壓作用，但不能有效抑制較高的浪涌或瞬態干擾，在實際電路中并不能達到電路保護需求。ADI公司推薦的FET型號是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的增強型MOSFET，耗盡型MOSFET由于型號較少，在過去電路設計工程師對其的了解和應用經驗較少，但在智能變送器DAC的穩壓和保護中，耗盡型MOSFET是理想的選擇。

2 耗盡型MOSFET對DAC的供電與保護功能

2.1 耗盡型MOSFET工作原理

近 年 來，耗 盡 型MOSFET（Depletion-Mode MOSFET）日益受到重視，廣泛應用于固態繼電器（NC繼電器）、“常閉”開關、恒流源、恒壓源和開關電源等設備中，用戶涵蓋了家用電器、消費電子、工業控制、汽車電子、物聯網、電信設施和航空航天等領域。

耗盡型MOSFET分為2種類型：N溝道耗盡型MOSFET，即導電溝道為N型，參與導電的是電子；P溝道耗盡型MOSFET，即導電溝道為P型，參與導電的是空穴。由于電子的遷移率遠高于空穴，N溝道耗盡型MOSFET具有更強的電流處理能力，得到了更廣泛地運用。近年，隨著第三代半導體的發展，開始出現少數1,300 V以上耐壓的SiC基的耗盡型MOSFET，但成熟的產品還是Si基耗盡型MOSFET。以下就N溝道Si基耗盡型 MOSFET為例，簡要說明其原理和應用。

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

如圖4所示，當VDD增加時，流過電路的電流IDS增加，導致耗盡型MOSFET源極電位VS升高，即VGS絕對值增加，并引起器件導電溝道變窄，電流增加減緩。在此過程中負載RL兩端的電壓VS無限接近器件的關斷電壓∣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。負載RL流過的電流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的關斷電壓；

VDD——漏極電壓。

由此看出，利用耗盡型MOSFET可以組成一個簡單穩定的高電壓輸入的電壓調節器或電流源，同時具有極佳的瞬態抑制能力。

進一步利用運算放大器或電壓基準源，易實現指定的輸出電壓。運算放大器使用示意圖如圖5所示。

Vo與Vi具有如下關系：

其中，Vi——運算放大器輸入電壓；

Vo——運算放大器輸出電壓。

因此，通過配置R2和R1的組合，在負載電流較小時，可確定負載的工作電壓Vs大約為：

在零柵偏即VGS=0 V時，器件處于導通狀態，當柵極-源極電壓∣VGS∣＜∣VGS(OFF)∣時，器件處于關斷狀態。

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供電與保護中替代JFET的基礎。同時將2種器件工作中的電性特性比較，MOSFET的優勢在于：

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基實現（目前不普及），限制了絕大多數JFET的應用，而Si基耗盡型 MOSFET的耐壓參數可以做到從10～1,700 V任意值。對于常用的220 V市電和380 V工業用電，在Normally On應用中，耐壓為600 V和1,000 V的這2個系列產品需求廣泛，JFET器件無法滿足，耗盡型MOSFET是唯一的選擇。一般浪涌或瞬態干擾達到100 V，此時JFET已被擊穿，無法達到保護功能；

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個數量級，MOSFET極低的漏電流，大大降低了靜態功耗，也就極大地降低整機功耗。同時，MOSFET極低的漏電流，反應速度更快，對浪涌或瞬態干擾的保護更靈敏有效；

再次，JFET的輸入阻抗遠低于MOSFET輸入阻抗，因為MOSFET金屬氧化物絕緣體，使得其在柵極端的電阻更高。對于電壓驅動的FET器件，輸入阻抗越大，對電壓源的負載就越輕，因而就越容易驅動，也不會對信號源有影響，MOSFET比JFET更具備易于驅動、對柵極影響極小的優勢。

MOSFET的缺點在于：由于其本身的輸入阻抗高，對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或靜電的感應而帶電，又因在靜電較強的場合難于泄放電荷，容易引起靜電擊穿。所以，克服耗盡型MOSFET缺點，帶防靜電的ESD保護功能在耗盡型MOSFET的設計和生產中尤為重要，是器件能否正常使用的關鍵指標。

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

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

智能變送器作為傳感器系統中的重要組成部分，在惡劣環境中，除了一般浪涌或瞬態干擾外，靜電干擾也是不容忽視的造成系統損壞的因素。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，在操作時稍有不當，該MOSFET就會由于靜電損壞而失效，直接影響穩定供電。在AD421的使用中，ADI公司特別提出DN25N使用中極易失效，需謹慎操作，做好嚴格靜電防護，所以自身帶靜電保護功能的耗盡型MOSFET在電路中特別重要。

3 實際應用案例

3.1 實際電路與參數說明

以一款常用的國產耗盡型MOSFET為例，簡要說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壓和有效抑制浪涌或瞬態干擾能力，并對靜電防護具有很好的防護作用，保證系統安全、正常工作。

DMX1072（DMS1072）/ DMS4022E（DMX4022E）耗盡型MOSFET給環路供電型4～20 mA數模轉換電路AD421供電，如圖6所示。

DMX1072采用SOT-89封裝，主要參數為：耗散功率1 W，耐壓100 V，飽和電流大于0.7 A，導通電阻最大值2 Ω，如果直接用在4～ 20 mA供電環路中，可支持高達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，主要參數為：耗散功率1.5 W，耐壓400 V，飽和電流大于200 mA，導通電阻最大值20 Ω左右。電性曲線如圖8所示[6]。

采用DMS4022E，支持高達48 V的高電壓輸入，并同時抑制高達400 V的瞬態浪涌，對系統實行有效的過壓、過流保護，這對于諸如工業現場、電機控制、變頻調速等復雜電磁環境的應用尤為重要。汽車中有許多電機，這些感性負載可能產生高達300 V的電壓瞬態，因此選擇DMS4022E能有效地防止瞬態干擾和破壞。

3.2 國產器件與進口器件ESD能力比較

AD421應用手冊上推薦的DN3545、DN2540、DN3525等DN25D系列，不帶ESD保護功能，而DMX1072（DMS1072）/ DMS4022E （DMX4022E）的ESD保護測試標準采用通用的美國電子工業協會JEDEC EIA / JESD22-A114（HBM），人體放電模式的ESDVESD(G-S)分別達到1,700/3,500 V，可以對各種環境下的靜電干擾起到很好的防護作用，大大增加了系統的安全性和穩定性。

3.2.1 產品設計比較

從DN2540產品和DMS4022E產品的規格書上可知，2款產品的結構如圖9所示[6-7]。

從各自的結構示意圖上可以明顯看出，在DMS4022E的柵-源兩端并聯有雙向ESD保護二極管，而DN2540的柵-源結構上沒有ESD保護設計。

3.2.2 實際ESD（HBM）測試結果比較

為進一步驗證國產器件DMS4022E和進口器件DN2540的ESD功能，分別各抽樣20顆，采用美國電子工業協會關于防靜電干擾的測試標準：JEDEC EIA/JESD22-A114，采用HBM模型進行測試，測試電路原理圖如圖10所示。

測試結果如表2所示。在具體實驗中，由于模擬的靜電高壓設備最低電壓為200 V，DN2540在200 V模擬靜電下，20顆均失效，說明完全沒有靜電保護功能，在操作中稍有不慎，器件本身失效，對系統的穩定供電和抗瞬態干擾的目的均不能實現；而DMS4022E在G TO S (+) 初始電壓：200 V，步長：100 V條件下，3,600 V失效，G TO S (-) 初始電壓：200 V， 步長：100 V條件下，3,500 V失效。按照美國電子工業協會JEDEC EIA/JESD22-A114（HBM）器件電壓分類標準：2級：2,000～3,999 V，3A級：4,000～8,000 V，DMS4022E完全達到2級ESD保護標準，接近3A級ESD保護標準，能夠有效抑制靜電干擾，全方位保護智能變送器的性能穩定和工作安全。

表2 DMS4022E、DN2540人體模型下ESD失效數據

4 結束語

通過對智能變送器DAC供電與保護需求的分析，重點對傳統JET、普通耗盡型MOSFET和帶ESD功能的耗盡型MOSFET從原理、應用和測試多角度比較，以應用實例說明帶ESD功能的耗盡型MOSFET在變送器、接觸器等領域應用的優勢及未來發展趨勢。

雖然增強型功率MOSFET作為主流的開關器件，占據了絕大部分市場份額，但耗盡型MOSFET作為一種特殊的器件，在實現一些電路拓撲中具有無可比擬的優勢，廣泛應用于NC固態繼電器、“常閉”開關、線形運放、恒流源、恒壓源和開關電源等。近年來，隨著電子電氣系統電源電壓的降低和綠色能源計劃的實施，系統的功耗設計正面臨著更加嚴苛的要求。耗盡型MOSFET由于其獨特的性能，其應用的廣度和深度都在不斷地拓展。利用耗盡型MOSFET，可以方便地實現零偏置放大器，不需要偏置電路，簡化了電路設計，降低了系統成本，還大大降低了偏置電路的功耗；耗盡型MOSFET的亞閾值特性，可為負載提供穩定的供電，且輸出電壓可由內部鉗位，無需穩壓管，簡化電路設計；如需要負電壓開啟，高頻開關、開關電源啟動等特定場合，耗盡型MOSFET是理想選擇。目前，除智能變送器外，通信設備、物聯網、汽車接觸器、充電樁、BMS系統、歐標節能LED、PD3.0充電器等逐步廣泛應用。

一直以來，僅有國外幾家高端器件制造商：Infineon、Microchip、IXYS、Supertex生產耗盡型MOSFET，近年，國內半導體制造商也設計生產出耗盡型MOSFET系列產品，如ARK公司的DMZ系列，耐壓從60～1,000 V，且所有產品帶ESD保護功能，彌補了國外同類產品極少帶ESD保護的不足，性能更加穩定可靠，避免因靜電對整個電路造成損壞。國產耗盡型MOSFET器件應用日益普及，產品成熟可靠，性能、品質上都能達到進口同類產品水平。