汽車中使用的電子器件數量在不斷增多，而且這一趨勢也開始出現在一些由于環境惡劣而通常難以使用具有成本效益的電子器件的領域，例如，直接用于電機或變速箱、渦輪增壓器或廢氣再循環系統中。業界一直希望出現外形小巧、經濟的機電系統，這類系統可與電機一起直接安裝在待驅動的機械裝置上。

但是，由于汽車中這些區域的溫度較高，必須采用特殊的高溫電子器件（如工作溫度為125℃或更高的電路）。150℃的環境溫度指標一直被定為基本要求；不過，也有要求環境溫度指標達到或超過175℃的情況。而在這樣的溫度下，單個電子元器件能滿足高溫要求是不夠的，系統中包括驅動電路、電源電路和微控制器在內的所有器件都必須滿足這些要求。這類系統的驅動芯片及供電芯片的功耗特別大，因而要求結溫在175℃到200℃之間。

用于200℃結溫的SOI技術

采用標準體效應材料（bulk material）制造的半導體元器件無法達到200℃的結溫。這主要是因為半導體的漏電流在高溫下會激增，而且隨著溫度升高，半導體器件將更容易出現閂鎖效應。SOI（絕緣硅）材料相比體效應材料具有許多優勢。體效應技術通常依賴于工作在截止區的PN結。而SOI技術提供了一種利用氧化物完全隔離各個器件（在水平和垂直方向）的方法（見圖1）。

圖1：SOI技術REM照片（活性硅片在水平和垂直方向都進行了隔離）。

采用SOI技術時，硅壁不會與基底接觸，因而不存在相應的漏電流通道。而在傳統的體效應技術中，硅片至基底存在漏電流通道，隨著溫度升高，這個通道的漏電作用會隨PN結中的高溫漏電流的增大而大幅增加。

圖2：采用體效應硅和SOI硅片的65V高壓晶體管的漏電流與溫度對應曲線。

利用SOI技術將漏電流降至五十分之一

圖2展示了采用SOI和體效應技術制造的高壓晶體管中漏電流與溫度的關系。采用SOI技術可將漏電流降低至五十分之一。而采用體效應技術時，晶體管在高溫下的漏電流會增大到極高的水平。如前所述，除了漏電流增大之外，由于閂鎖效應而導致電路損壞的風險也會隨溫度的升高而增加。閂鎖效應是由寄生雙極晶體管引起的，這是共襯底中N溝道和P溝道MOS晶體管的摻雜層結構所固有的問題，如圖3所示。這種寄生雙極晶體管可構成一個晶閘管，其對應的電路如圖4所示。

圖3：體效應技術中的寄生雙極晶體管。

圖4：寄生晶閘管。

在200℃以下實現無閂鎖效應

晶閘管觸發后會引起電源對CMOS器件的短路，這通常都會造成器件損壞。由于雙極晶體管的電流增益為正溫度系數，這種晶閘管的靈敏度會隨溫度上升而增大。采用SOI硅片并對垂直溝道充氧進行絕緣后，寄生雙極晶體管就會完全失效，這樣，晶閘管在高溫下也能可靠地工作。（見圖5）

圖5： SOI-CMOS技術中的氧填充絕緣。

ESD保護對于汽車電子產品至關重要。SOI技術采用了介質隔離，因而基底上不會出現ESD脈沖放電。圖6顯示，這種技術不會影響器件滿足最高級別的ESD保護要求。圖中給出的ESD保護特征曲線表明，無需外加保護電路就可在系統級測試上達到6kV的穩定性。

成本壓力是汽車制造中另一個重要方面。目前的觀點是，在汽車中采用SOI技術成本太高，因為SOI中的基材比采用普通工藝的晶圓昂貴得多。但事實并非如此，相比體效應技術，SOI材料所需介質隔離的裸片尺寸小很多。因此，在光刻結構尺度相同的情況下，其集成度比采用標準技術時要高得多。芯片尺寸減小所節省的成本可抵消基材較高的成本。

圖6：達到6kV系統級ESD要求的高壓ESD保護特征曲線。

圖7表明，從體效應技術轉變為SOI技術后，驅動部件的裸片尺寸減小。

圖7：采用SOI技術后，驅動部件的裸片尺寸減小

用于極端環境條件的微控制器

除先前提到的驅動部件外，高溫應用還對微處理器提出了特別的要求。為此，現有處理器必須經過適當的設計，并通過資格測試，才能用于125℃到150℃的溫度環境。這些部件的功耗必須非常低，因而，其自身的熱量積累可忽略不計，最大結溫幾乎能達到環境溫度。微處理器的內部熱耗散若非常小，就有可能將閃存及其他功能集成到一個能在150℃環境溫度下工作的單芯片中。閃存和EEPROM在高溫下是最敏感的部分，這是其基本機理所決定的，因為電荷存儲在浮柵中。當溫度升高時，原子激發而產生泄露，而被捕獲的電荷會逃逸，這將縮短存儲單元的壽命和數據保存時間。商用微處理器的內存一般都采用成本低的單晶體管存儲單元。對高溫應用來講，這是不夠的，需要采用雙晶體管結構的存儲單元。這種結構的存儲單元具有出色的高溫能力，穩健性顯著提高。

愛特梅爾AVR系列中的8位微控制器ATmega88就是這樣的產品。如圖8所示，該產品在經歷50，000次讀寫操作后才出現第一次失效。

愛特梅爾的8位微控制器采用可在單周期內完成一條指令的RISC構架。該產品采用非易失性嵌入工藝技術，因而能集成片上閃存和EEPROM存儲器，以及可用作即時或臨時存儲的本地SRAM。

圖8：150℃環境溫度下閃存存儲單元的失效測試直方圖。

AVR系列產品具有許多額外的功能，如模數轉換器、模擬放大器或比較器，以及用于通信或時鐘參考的經內部校準的RC振蕩器或數字接口。這些部件都按照AEC Q100 Grade 0標準，針對-40℃ 到150℃溫度范圍進行資格認證。

除提供各種微控制器外，愛特梅爾還提供用于該溫度范圍的驅動電路和系統基礎芯片，請見以下的兩個電機控制應用示例。

無刷三相直流電機系統

使用ATmega88、驅動IC ATA6832以及LIN系統基礎芯片ATA6624，就可構成一個簡單的高溫三相系統（見圖9）。

圖9：使用ATmega88和ATA6832實現的三相無刷直流電機控制應用。

該驅動IC集成了3個半橋，可直接連接一個無刷電機。為最佳監測ATA6832的最大結溫，每個集成的輸出級都有一個熱傳感器。過熱報警和過熱關斷功能（均具有遲滯）確保在高溫下運行不發生損壞。當結溫超過200℃時，驅動輸出將關閉，對輸出進行全面的保護；負載開路、過載和欠壓都將通過串行接口報告給微控制器。輸出的開關也通過串行接口來實現。驅動電路的直接PWM輸入可靈活地連接6個輸出級。這樣就能針對所有加速及制動方式實現智能運動控制。

電機動作和微控制器間的控制環由霍爾傳感器來實現，通信由ATmega88執行。除控制電機外，微控制器還配有足夠的閃存，例如足以運作LIN。LIN即局域互聯網絡，是一種使用廣泛的汽車通信總線，負責與汽車進行通信。此模塊是通過LIN系統基礎芯片ATA6624收發器與汽車系統連接。該芯片還為整個系統提供5V電壓。為防止超過電路的最大結溫，使用外接雙極晶體管作為線性調節器。目前市面上已有結溫高達175℃的晶體管。此外，該芯片還包括監視器，可用微控制器來獨立地監測各種系統功能。

微控制器ATmega88和驅動器ATA6832都是專門針對高達150℃的環境溫度設計的。系統基礎芯片ATA6624的最大結溫為150℃。該IC的結點由于自身的電流消耗和LIN通信，本身溫度約有3個絕對溫度，因此，最大應用環境溫度為147℃。

采用半橋實現直流電機控制

專門針對半橋電機驅動設計的微控制器ATmega88和系統基礎芯片ATA6824為高溫直流電機提供了系統解決方案。與ATmega88一樣，ATA6824也能承受高達150℃的環境溫度。ATA6824可在結溫高達200℃的條件下工作。為實現功率轉換所需的外接功率MOSFET易于獲得，而且適合結溫高達175℃的情況。

除了外接功率MOSFET的驅動級外，系統基礎芯片 ATA6824還有一個為整個模塊供電的電壓穩壓器，其輸出電壓可設置為3.3V或5V。該系統基礎芯片還有一個監視器和一個與汽車中其它模塊通信的串行接口。高邊開關通過集成的電荷泵供電，這樣就可以使用成本低的N型MOSFET。系統基礎芯片還可利用電荷泵的輸出電壓來驅動反向動作的功率MOSFET開關，從而以低成本實現導通電阻小、功率耗散低的反向電池保護功能。

電機的全部動作控制由ATA6824中集成的控制邏輯完成。系統將根據被激勵的輸出級的具體情況，監視對應的漏源電壓，以防止短路。

如果需要的話，還可通過半橋接地中的旁路電阻來精確測量電機電流。微控制器可用ATA6824的診斷引腳來監測半橋驅動電路。半橋上出現的短路、負載開路、過壓和過熱均有監測，而且一旦出現故障，半橋將關斷。微控制器會將這些事件通過串行接口報告給汽車。

圖10：半橋及ATA6824、ATmega88和四個外接功率MOSFET構成的直流電機控制電路。

針對直流電機控制的六路半橋驅動器

愛特梅爾新推出的六路半橋驅動器芯片ATA6837/39專門針對高溫應用設計，符合汽車應用規范要求。該產品尤其適合驅動直流電機的半橋。諸如渦輪增壓器中或廢氣再循環系統中的機電一體化解決方案，集成了必須由直流電機控制IC來控制的出風口葉板。由于這類裝置靠近引擎或激勵器，因此需要能在通常高達150℃的環境溫度下工作。ATA6837/39就是針對這樣的高溫環境設計的。

圖11：ATA6837/39應用電路。

六路高邊和六路低邊驅動器能夠驅動高達650mA的電流。這些驅動電路經內部連接形成了6個半橋，每個半橋都可通過標準的串行接口單獨控制。這種配置尤其適合于直流電機控制；而且，還可結合許多不同的負載類型，如燈泡、電阻、電容和電感。

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