IXYS MMIXT132N50P3 包含用于監(jiān)控主要器件漏極電流的電流鏡，以及兩個共陰極二極管，利用與主要器件相同的芯片進(jìn)行溫度監(jiān)控。 MMIXT132N50P3 符號如圖 1 [1] 所示。

圖 1：MMIX1T132N50P3 器件符號

電流鏡被創(chuàng)建為主要MOSFET結(jié)構(gòu)的一部分，具有公共漏極 (D) 和柵極 (G) 端子以及獨(dú)立的源極端子（S 和 CS）。為了最大限度地減少與主器件源電流導(dǎo)致的鍵合線上壓降相關(guān)的誤差，在器件中提供了兩個獨(dú)立的端子，一個用于電流鏡電流返回 (SR)，另一個用于柵極充電/放電電流 (GR)。設(shè)備。溫度傳感二極管具有單獨(dú)的陽極端子（A1、A2）和共陰極端子（CC）。

電流鏡說明

MMIXT132N50P3 電流鏡的原理圖如圖 2 所示。

圖2：電流鏡示意圖

如圖 2 所示，MMIXT132N50P3 包含一個 N+1 相同結(jié)構(gòu)，其中 N 個結(jié)構(gòu)創(chuàng)建主 MOSFET，第 (N+1) 個結(jié)構(gòu)創(chuàng)建電流鏡。對于該特定設(shè)計，N = 200，并且如果電流鏡源中沒有使用電流檢測電阻器 (RCS = 0)，則電流鏡的電流恰好是主要器件源電流的 1/200。不依賴于 MOSFET 的漏極/源極電壓 V DS，因此它與溫度無關(guān)，可提供最高精度的測量。然而，如果使用一些具有有限電阻的傳感器將電流轉(zhuǎn)換為電壓，則由于 MOSFET 的溝道電阻 R CH和電流檢測電阻器 R CS創(chuàng)建的電阻分壓器，測量結(jié)果將變得與 V DS相關(guān)。當(dāng)漏極/源極電壓也較低時，這一點(diǎn)在 I DS較低時尤其重要。

圖 3：V DS與 I DS

圖注：實(shí)線 - MOSFET 處于導(dǎo)通狀態(tài)，通道與體二極管并聯(lián)，虛線 - MOSFET 處于關(guān)斷狀態(tài)，體二極管僅導(dǎo)通。

圖 3 顯示了 MMIXT132N50P3 漏極/源極電壓降 (V DS ) 在電流低于 10 A 時作為漏極/源極電流 (I DS ) 的函數(shù)，當(dāng)漏極相對于源極為正時（正常工作），電流在兩個方向流動）且漏極相對于源極為負(fù)（反向連接），MOSFET 處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。如果 MOSFET 處于導(dǎo)通狀態(tài)，則 VDS 被描述為 V DS = R DS (on) * I DS，無論 I DS極性如何。如果 MOSFET 處于關(guān)斷狀態(tài)且體二極管僅提供電流，則壓降決定體二極管兩端的 VDS。圖 4 顯示了電流檢測電阻器 (VCS) 兩端的壓降，圖 5 表示在與圖 3 相同的條件下通過電流檢測電阻器的電流。

圖 4：V CS與 I DS

圖 5：I CS與 I DS 

圖 4 和圖 5 清楚地表明，增加電流檢測電阻 R CS會增加 V CS ，但會降低 I CS。當(dāng) R CS = 0.5 歐姆時，ICS 接近預(yù)期電流鏡電流，但 V CS較低。例如，當(dāng) I DS = 10 A 時，預(yù)期 I CS = 10/200 = 0.05 A，而實(shí)際 I CS = 46 mA，當(dāng) R CS = 200 歐姆時，V CS接近 V DS（320 mV 與 440 mV ） mV），但 I DS僅為 1.57 mA，即僅為預(yù)期電流的 3.1%。圖 6 顯示，它是電流鏡的“余量”（即 V DS和電流檢測電阻器上的壓降 ( VCS )上的壓降之間的電壓差）與電流鏡可提供的最大 I DS電流之間的線性函數(shù)。 。

圖 6：在 I DS = +10 A時，利用電流鏡的電流 I CS與電流鏡的余量 (V DS – V CS )

如果將全V DS電壓施加到電流鏡，則其電流具有最大值，等于I DS /200。由于高 R CS將該電壓降低至 V DS的 54%，從而使I CS降低至其預(yù)期值的 40%。

因此，需要在測量精度和信號電平之間進(jìn)行折衷。高精度的電流測量需要低值電流檢測電阻器和信號來放大，而低精度測量可以利用高值電流檢測電阻器，但代價是溫度依賴性。

體二極管激活時的電流鏡行為

圖 3 顯示，當(dāng) MOSFET 處于導(dǎo)通狀態(tài)并且相對于源極向漏極施加負(fù)電壓時，只要溝道上的壓降小于體二極管正向電壓，溝道就會攔截整個電流，并且電流沒有流過二極管。在這種情況下，電流鏡的行為與正電流相同（見圖 4 和 5）。

圖 7：在 I DS = -10 A時，利用電流鏡的電流 I CS與電流鏡的余量 (V DS – V CS )

然而，如果 MOSFET 處于截止?fàn)顟B(tài)并且相對于源極向漏極施加負(fù)電壓，則電流鏡的行為將與預(yù)期行為顯著不同。

圖 8：MOSFET 處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)時I CM與負(fù) I DS 的關(guān)系

首先，通過電流鏡的體二極管和主體二極管的電流比例不等于預(yù)期的1/200；相反，它是 ~0.52/200，即少兩倍。這可能是由于電流鏡的體二極管使用的硅體積明顯小于主體二極管的硅體積，從而導(dǎo)致更高的電阻。

此外，如圖 7 所示，I CM對電流鏡余量的依賴性不再是線性的，并且不考慮相對較高的余量電壓，電流急劇下降。因此，在這種情況下，電流鏡的輸出主要復(fù)制由主體二極管的壓降決定的V DS 。即使電流鏡上的最高余量電壓也不能保證 I DS和 I CS電流之間的線性，如圖 8 所示。

由于這種行為，如果體二極管導(dǎo)通，則不建議使用電流鏡在負(fù) I DS電流下進(jìn)行精確電流測量。然而，來自電流鏡的信號可用于觸發(fā)柵極驅(qū)動器以激活 MOSFET 并將溝道與體二極管并聯(lián)。它顯著降低了 MOSFET 上的壓降，并提高了電流效率，在通道上產(chǎn)生比體二極管導(dǎo)通電壓更低的壓降。

高負(fù)電流下的電流鏡行為

圖 9 顯示了 MMIXT132N50P3 漏極/源極電壓降 (V DS ) 在電流高達(dá) -40 A 時與漏極/源極電流 (I DS ) 的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)漏極相對于源極為負(fù)值時（反向電流），電流流動。連接）與MOSFET處于ON和OFF狀態(tài)。

圖 9：高負(fù)電流時V DS與 I DS的關(guān)系

圖注：紅線 - MOSFET 處于導(dǎo)通狀態(tài)，通道與體二極管并聯(lián)連接，藍(lán)線 - MOSFET 處于關(guān)斷狀態(tài)，體二極管僅導(dǎo)通。

如果 MOSFET 處于導(dǎo)通狀態(tài)，則 R DS (on)在高負(fù)電流下將成為 I DS的函數(shù)。當(dāng)漏極/源極電壓降的絕對值|V DS |時當(dāng)電壓升高到 0.6 V 以上時，體二極管開始導(dǎo)通，從而導(dǎo)致 R DS（導(dǎo)通）值增加。因此，兩條曲線的截取比我們基于低電流（即 -17 A 而不是 -20 A）下的穩(wěn)定 R DS （on）值所預(yù)期的要早出現(xiàn)。此外，在截取點(diǎn)之后，兩個結(jié)構(gòu)（體二極管）與僅導(dǎo)通的體二極管相比，并聯(lián)工作會導(dǎo)致更高的 V DS壓降。在這個區(qū)域，體二極管和MOSFET的溝道不能被解釋為兩個獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，如并聯(lián)的二極管和電阻。這意味著，為了獲得更高的效率，MOSFET 應(yīng)在負(fù)電流的絕對值高于截止點(diǎn)后關(guān)閉。

此外，當(dāng)前該區(qū)域的鏡像行為變得非常復(fù)雜。圖 10 顯示了電流鏡電流 I CM與漏極/源極電流 I DS 的函數(shù)關(guān)系，其中 R CS = 0.5 Ω，圖 11 顯示了歸一化為 I DS預(yù)期值 1/200 的電流鏡電流的利用率。

圖 10：MOSFET 處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)時I CM與負(fù) I DS 的關(guān)系

圖 11：利用電流鏡的電流 I CS與負(fù) I DS 的關(guān)系

I CM電流在 I DS = -17 A處的截取點(diǎn)之后立即失去線性。在該點(diǎn)之后，ICM 的利用率立即上升到 1，然后快速下降到主要由體二極管確定的水平。使用電流鏡的電流|I DS |由于負(fù)電流鏡的電阻，> 17 A 用于調(diào)節(jié)或電流監(jiān)控目的會出現(xiàn)問題，這可能會導(dǎo)致振蕩。

電流鏡應(yīng)用原理圖

圖 12 描繪了正電流測量的典型應(yīng)用電路。它包含增益 = 10 的運(yùn)算放大器 U1，允許將 40 A 漏極/源極電流轉(zhuǎn)換為 2 V ADC 輸入信號。

圖 12：正電流鏡電流測量電路

建議在 Q1 柵極激活后以約 600 ns 的延遲時間開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，以避免與流過電流檢測電阻器 R1 的柵極充電電流相關(guān)的錯誤。此外，應(yīng)密切注意 PCB 布局，以避免高源電流流過信號地線。信號和電源接地走線應(yīng)僅在源電流輸出處的一處保持連接。

圖 13 所示的應(yīng)用電路可監(jiān)控逐周期過流情況，并在出現(xiàn)此類情況時立即關(guān)閉 MOSFET。它包括具有 64 mV 閾值和 36 mV 遲滯的比較器 U1，如果電流檢測電阻器上的壓降不超過 100 mV，則該比較器 U1 具有邏輯高輸出。該電路還包括觸發(fā)器U3、柵極驅(qū)動器U5、帶施密特觸發(fā)器的輸入緩沖器U9、消隱時間發(fā)生器U6、U7、U8和輔助邏輯U2、U4。

該器件首先向 IN 輸入施加一個信號，該信號將柵極驅(qū)動器的 U5 輸出設(shè)置為高電平，從而導(dǎo)通 MOSFET Q1。驅(qū)動器U5的兩個通道并聯(lián)使用，以增加驅(qū)動器的電流能力。施密特觸發(fā)器U9用于提高輸入信號的抗噪聲能力。

如果漏極/源極電流超過比較器的閾值（對應(yīng)于 Ids = 14.8 A），比較器將進(jìn)入邏輯低狀態(tài)，重置觸發(fā)器 U3 并中止使 MOSFET 的 Q1 柵極保持高電平的輸入脈沖。當(dāng)電流降至比較器閾值以下并且比較器輸出再次變?yōu)檫壿嫺唠娖綍r，觸發(fā)器 U3 輸出保持低電平，直到下一個脈沖施加到 IN 端子。

邏輯元件 U6、U7 和 U8 與 R8C3 網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建一個消隱時間發(fā)生器，使比較器的輸出邏輯高電平保持約 600 ns，以完成與柵極電荷相關(guān)的轉(zhuǎn)換過程。

圖 13：正電流逐周期過流監(jiān)控系統(tǒng)

電流中斷時的漏極/源極電流值可以通過電流檢測電阻值或比較器的閾值或兩者來調(diào)整。

圖 14 表示具有監(jiān)控流過 MOSFET 體二極管的負(fù)電流的電路的應(yīng)用。如果電流超過預(yù)設(shè)閾值，它將打開 MOSFET；當(dāng)電流低于該值時，它將關(guān)閉。它包括具有 47 mV 閾值和 34 mV 遲滯的比較器 U1，如果電流檢測電阻器上的壓降絕對值不超過 ~80 mV，則該比較器 U1 具有邏輯低輸出。該電路還包括觸發(fā)器U5、柵極驅(qū)動器U10、帶施密特觸發(fā)器的輸入緩沖器U11、消隱時間發(fā)生器U7、U8、U9以及輔助邏輯U2、U3、U4和U6。

如果將信號施加到 IN 端子，則該器件將作為標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動器運(yùn)行，無論漏極/源極電流的方向如何，都會將柵極驅(qū)動器的 U10 輸出設(shè)置為高電平并設(shè)置 MOSFET Q1 導(dǎo)通狀態(tài)。 U10 的兩個通道并聯(lián)使用，以增加驅(qū)動器的電流能力。施密特觸發(fā)器U11用于提高輸入信號的抗噪聲能力。

然而，如果沒有外部信號施加到 IN 端子，并且 MOSFET 的體二極管電流超過比較器的 U1 閾值，則其輸出變?yōu)檫壿嫺唠娖?，激活柵極驅(qū)動器，并將 MOSFET 轉(zhuǎn)至導(dǎo)通狀態(tài)，從而將 MOSFET 的通道并聯(lián)到體二極管并降低漏極/源極壓降以提高效率。

當(dāng)負(fù)電流低于比較器 U1 閾值時，其輸出變?yōu)檫壿嫷碗娖?，從而關(guān)閉柵極驅(qū)動器 U10 和 MOSFET。此后，低負(fù)電流再次僅流過體二極管。如果 MOSFET 在電機(jī)驅(qū)動電路或降壓轉(zhuǎn)換器中作為二極管運(yùn)行，則可以自動打開/關(guān)閉 MOSFET，而無需使用特殊控制器來將柵極驅(qū)動器的輸入信號與實(shí)際二極管電流同步。

該原理圖中比較器的閾值對應(yīng)于打開 MOSFET 的 Ids ~ –0.8 A 和關(guān)閉 MOSFET 的 Ids ~ –0.4 A。通過改變電流檢測電阻R1或比較器的初始設(shè)置，可以將閾值調(diào)整為另一個電流值。

圖 14：負(fù)電流（體二極管電流）監(jiān)測系統(tǒng)

邏輯元件 U7、U8 和 U9 與 R8C3 網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建一個消隱時間發(fā)生器，使比較器的輸出邏輯電平在約 600 ns 內(nèi)保持不變，以完成與柵極充電/放電相關(guān)的轉(zhuǎn)換過程。

在同一設(shè)計中使用正電流比較器和負(fù)電流比較器需要不同的電流檢測電阻器來為正電流和負(fù)電流提供所需的閾值。一種可能的解決方案是將電流檢測電阻器與低正向電壓二極管分開，如圖 15 所示。

電流檢測電阻器 R1 和 R4 由二極管 D1 隔開。對于負(fù)電流，僅使用電阻器R4，其值決定了對負(fù)電流的敏感度。對于正電流，兩個電阻器都與二極管 D1 并聯(lián)，并與電阻器 R1 串聯(lián)。這會在低正電流下產(chǎn)生一些非線性；但是，它不會影響應(yīng)限制正電流的區(qū)域。圖 16 表示電流檢測電阻器 R1 處的壓降與漏極/源極電流的關(guān)系，其中 R4 = 49.9 歐姆，R1 = 10 歐姆，R1 = 4.99 歐姆。

圖 15：將電流檢測電阻器與二極管分開

圖 16：電流檢測電阻器上的壓降與使用二極管分離電流檢測電阻器的漏極/源極電流的關(guān)系

溫度測量二極管

使用二極管作為溫度傳感器，其溫度系數(shù)相對較高，約為 0.2 mV/°C，線性度相當(dāng)高。

正向偏置時流過二極管的電流等于[2]：

其中 I S是反向飽和電流，V 是二極管的正向壓降，η 是理想因子（值范圍為 1 到 2 的常數(shù)），V T  是二極管的熱電壓，T 是絕對結(jié)溫度以開爾文為單位，q = 1.602*10 -19 C 是電子電荷，k = 1.38*10 -23 J/K 是玻爾茲曼常數(shù)：

如果已知電流流過二極管，則可以將其溫度確定為正向壓降的函數(shù)，如下假設(shè)：

然后：

該方程包含反向飽和電流 I S和理想因子 η，它們與部件相關(guān)，應(yīng)在測量前確定。

如果兩個已知電流I 1和I 2通過二極管，或者同時使用兩個相同的二極管，則其溫度可以確定為：

將 I S從方程中排除。如果 I 2 /I 1 = 10，則該方程簡化為：

MMIXT132N50P3 包含兩個相同的二極管，可用于單端或差分方案中的溫度測量。對于單端方案，推薦的正向電流為 1 mA；對于每 1-3 秒短脈沖的差分方案，推薦的正向電流為 1 mA 和 100 μA。不建議使用較高的穩(wěn)定電流，以避免二極管自熱，這可能會產(chǎn)生不正確的結(jié)果。

溫度測量應(yīng)用原理圖

圖 17 顯示了典型原理圖，建議使用兩個 MMIXT132N50P3 集成二極管進(jìn)行溫度測量。它包含兩個產(chǎn)生穩(wěn)定電流的電流源。第一個電流源 (U1:A、U2:1) 生成 1 mA 電流，而第二個電流源 (U1:B、U2:2) 生成 100 μA 電流?？勺冸娮杵?R5 能夠調(diào)節(jié)來自第一電流源的電流以獲得精確的 1:10 比例。二極管兩端的壓降由 ADC 轉(zhuǎn)換器測量，并用于計算 MMIXT132N50P3 的芯片溫度。 IXYS 建議僅在溫度測量期間使用微控制器單元的端口作為 3.3 V 電壓源來激活電路。這樣做有助于防止二極管自熱，這可能是溫度測量誤差的來源。

圖 17：使用兩個二極管進(jìn)行溫度測量的典型應(yīng)用原理圖