浅析耗尽型MOSFET对智能变送器中DAC的供电与保护

何锋 窦文

1. 成都方舟微电子有限公司，四川成都 610200；2. 成都信息工程大学工程实践中心，四川成都 610200

0 前言

随着智能变送器在工业控制、物联网、轨道交通、航空航天等领域的广泛应用，特别是近年自动驾驶汽车、医疗仪器和能源环境控制系统应用的日益普及，市场增量的急剧增长，未来其趋势必然是向具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能的智能化、测量和控制系统一体的集成化、特殊环境应用的小型化、设计与生产标准化以及应用广泛化等方向发展，同时对智能变送器的性能、品质要求不断提高。

传统变送器仅提供标准的模拟4～20 mA二线制信号传送，随着微电子技术发展，HART协议下出现功能更强大的智能变送器，其特点是用微处理芯片完成信号的探测、变换、逻辑判断、计算，实现自检、自校正、自补偿、自诊断，直接与计算机进行数字通信，低功耗电路中采用信道复用技术，在传输数字信号的同时，保留4～20 mA电流环信号，数模兼容，共用一条总线进行双向通信。智能变送器具有抗干扰能力强、传输距离远、高精度、多功能的特点，是传感器领域的一次技术飞跃，正逐步替代传统变送器。因此，组成智能变送器硬件系统的低功耗、高精度元器件的选用是研制高性能智能变送器安全稳定工作的关键。其中，DAC模块采用智能元件单点和多点的校准、零点补偿以及时漂在线修正等手段，大大提高了智能变送器的精度，DAC模块自身在恶劣环境下的供电及对浪涌、瞬态干扰的抑制是整个传感器系统安全、工作稳定的关键保障。本文以行业中普遍使用的DAC模块AD421为例，分析耗尽型MOSFET对DAC的供电与保护的原理及优劣势，给出了实际应用需要注意的问题及解决方案。

1 系统结构

1.1 智能变送器与DAC模块

智能变送器以低功耗微控制器为中心，包含4个主要功能模块：传感器信号调理与ADC检测模块、人机交互、Hart通信、DAC模块。典型硬件设计如图1所示。

其中， DAC选型上采用较普及的是AD421。AD421是美国ADI公司推出的一种单片高性能数模转换器，它由电流环路供电，16位数字信号串行输入，4～20 mA电流输出，完全符合设计智能变送器的工业控制标准信号输出要求，可实现远程智能工业控制。AD421主要具有3个功能：将微处理器的数字数据转换成模拟格式信号；环路电流的放大；从环路电源获取稳定的工作电压。AD421引脚及功能如图2所示[1]。

1.2 DAC供电与保护

DAC从环路电源获取稳定的工作电压，为稳定AD421自身电压及发射电路其余部分供电的环路电压，系统稳压器由一个运算放大器、一个带隙基准电压源和一个外部耗尽型FET调整管组成。稳压器结构功能如图3所示。

LV引脚信号通过更改运算放大器反相输入端和VCC引脚之间电阻分压器的增益来选择VCC稳定的目标值。随着LV引脚在COM和VCC之间变化，稳压器环路的电压输出标称值会在3 V和5 V之间变化：LV连接到COM调节电压为5 V；LV通过一个电容连接到VCC调节电压为3.3 V；LV连接到VCC调节电压为 3 V。如图3配置，可以使用的环路电压范围是由FET击穿电压和饱和电压确定的，必须选择外部FET的VGS(OFF)、IDSS和跨导等参数，以便DRIVE引脚上的运算放大器输出在VCC至COM的范围摆动时可正确控制FET工作点，FET选型时主要特性参数要求如表1所示[2]。

表1 AD421外围稳压与保护功能FET特性要求

关于FET选型，由于要求耗尽型模式（Depletion-Mode），理论上可以采用JFET，且业界对JFET的Normally-On特性比较熟悉，故一些文章推荐采用JFET。由于JFET结构的特性，耐压一般最高50 V，虽然JFET器件能起到稳压作用，但不能有效抑制较高的浪涌或瞬态干扰，在实际电路中并不能达到电路保护需求。ADI公司推荐的FET型号是Supertex制造的DN2530、DN2540、DN3545等，均 是BVDSX在 350 V、450 V的N沟道耗尽型MOSFET（Depletion-Mode MOSFET）。

提到MOSFET，工程师想到和用到的都是Normally-Off的增强型MOSFET，耗尽型MOSFET由于型号较少，在过去电路设计工程师对其的了解和应用经验较少，但在智能变送器DAC的稳压和保护中，耗尽型MOSFET是理想的选择。

2 耗尽型MOSFET对DAC的供电与保护功能

2.1 耗尽型MOSFET工作原理

近 年 来，耗 尽 型MOSFET（Depletion-Mode MOSFET）日益受到重视，广泛应用于固态继电器（NC继电器）、“常闭”开关、恒流源、恒压源和开关电源等设备中，用户涵盖了家用电器、消费电子、工业控制、汽车电子、物联网、电信设施和航空航天等领域。

耗尽型MOSFET分为2种类型：N沟道耗尽型MOSFET，即导电沟道为N型，参与导电的是电子；P沟道耗尽型MOSFET，即导电沟道为P型，参与导电的是空穴。由于电子的迁移率远高于空穴，N沟道耗尽型MOSFET具有更强的电流处理能力，得到了更广泛地运用。近年，随着第三代半导体的发展，开始出现少数1,300 V以上耐压的SiC基的耗尽型MOSFET，但成熟的产品还是Si基耗尽型MOSFET。以下就N沟道Si基耗尽型 MOSFET为例，简要说明其原理和应用。

当栅极-源极电压VGS=0 V时，其导电沟道即已存在，器件处于开通状态，因此耗尽型器件又称为“常开”（Normally-on）器件。当栅极-源极电压｜VGS｜＜ ｜VGS(OFF)｜时（N沟道）或｜VGS｜＞｜VGS(OFF)｜（P沟道），其导电沟道因沟道中的载流子耗尽而消失，器件处于关断状态。在VGS接近VGS(OFF)时，沟道部分开启，工作在亚阈值状态，利用这一特性，我们可以很方便地建立一个简单的电压调节器，具有高电压调节范围和稳定的电压输出，耗尽型MOSFET组成的高电压调节器如图4所示。也可以组成一个稳定的恒流源。同时，这种电压源或电流源具有极佳的抗干扰能力，能有效地抑制瞬态电压或浪涌电流[3-4]。

如图4所示，当VDD增加时，流过电路的电流IDS增加，导致耗尽型MOSFET源极电位VS升高，即VGS绝对值增加，并引起器件导电沟道变窄，电流增加减缓。在此过程中负载RL两端的电压VS无限接近器件的关断电压∣VGS(OFF)∣，VS≈∣VGS(OFF)∣，即VS钳位在∣VGS(OFF)∣处，不再随输入电压VDD的增加而变化。负载RL流过的电流IL（IL=VS/RL）也不随输入电压VDD的增加而变化。

其中，BVDSX——耗尽型MOSFET漏源极之间的击穿电压；

VGS(OFF)——耗尽型MOSFET的关断电压；

VDD——漏极电压。

由此看出，利用耗尽型MOSFET可以组成一个简单稳定的高电压输入的电压调节器或电流源，同时具有极佳的瞬态抑制能力。

进一步利用运算放大器或电压基准源，易实现指定的输出电压。运算放大器使用示意图如图5所示。

Vo与Vi具有如下关系：

其中，Vi——运算放大器输入电压；

Vo——运算放大器输出电压。

因此，通过配置R2和R1的组合，在负载电流较小时，可确定负载的工作电压Vs大约为：

在零栅偏即VGS=0 V时，器件处于导通状态，当栅极-源极电压∣VGS∣＜∣VGS(OFF)∣时，器件处于关断状态。

2.2 耗尽型MOSFET与JFET的比较

耗尽型MOSFET与耗尽型JFET器件具备相同的Normally-On特性，是其可以在变送器的AD421供电与保护中替代JFET的基础。同时将2种器件工作中的电性特性比较，MOSFET的优势在于：

首 先，Si基JFET器 件 耐 压 一 般 在10～50 V，更高耐压的JFET器件只能用Sic基实现（目前不普及），限制了绝大多数JFET的应用，而Si基耗尽型 MOSFET的耐压参数可以做到从10～1,700 V任意值。对于常用的220 V市电和380 V工业用电，在Normally On应用中，耐压为600 V和1,000 V的这2个系列产品需求广泛，JFET器件无法满足，耗尽型MOSFET是唯一的选择。一般浪涌或瞬态干扰达到100 V，此时JFET已被击穿，无法达到保护功能；

其次，由于JFET允许栅极泄漏电流为比MOSFET的栅极泄漏电流高出3个数量级，MOSFET极低的漏电流，大大降低了静态功耗，也就极大地降低整机功耗。同时，MOSFET极低的漏电流，反应速度更快，对浪涌或瞬态干扰的保护更灵敏有效；

再次，JFET的输入阻抗远低于MOSFET输入阻抗，因为MOSFET金属氧化物绝缘体，使得其在栅极端的电阻更高。对于电压驱动的FET器件，输入阻抗越大，对电压源的负载就越轻，因而就越容易驱动，也不会对信号源有影响，MOSFET比JFET更具备易于驱动、对栅极影响极小的优势。

MOSFET的缺点在于：由于其本身的输入阻抗高，对ESD静电极敏感，而栅-源极间电容又很小，所以极易受外界电磁场或静电的感应而带电，又因在静电较强的场合难于泄放电荷，容易引起静电击穿。所以，克服耗尽型MOSFET缺点，带防静电的ESD保护功能在耗尽型MOSFET的设计和生产中尤为重要，是器件能否正常使用的关键指标。

耗尽型MOSFET具备与JFET相同的电性特点，但各方面性能更优，是未来电路升级换代的理想器件。

2.3 带ESD静电保护功能的耗尽型MOSFET与普通耗尽型MOSFET保护功能的比较

智能变送器作为传感器系统中的重要组成部分，在恶劣环境中，除了一般浪涌或瞬态干扰外，静电干扰也是不容忽视的造成系统损坏的因素。由于MOSFET属于静电放电敏感度低的元器件，较易被静电击穿而损坏，在操作时稍有不当，该MOSFET就会由于静电损坏而失效，直接影响稳定供电。在AD421的使用中，ADI公司特别提出DN25N使用中极易失效，需谨慎操作，做好严格静电防护，所以自身带静电保护功能的耗尽型MOSFET在电路中特别重要。

3 实际应用案例

3.1 实际电路与参数说明

以一款常用的国产耗尽型MOSFET为例，简要说明其在智能变送器典型电路中为DAC模块AD421供电，其不仅具有高电压稳压和有效抑制浪涌或瞬态干扰能力，并对静电防护具有很好的防护作用，保证系统安全、正常工作。

DMX1072（DMS1072）/ DMS4022E（DMX4022E）耗尽型MOSFET给环路供电型4～20 mA数模转换电路AD421供电，如图6所示。

DMX1072采用SOT-89封装，主要参数为：耗散功率1 W，耐压100 V，饱和电流大于0.7 A，导通电阻最大值2 Ω，如果直接用在4～ 20 mA供电环路中，可支持高达24 V的电压输入。电性特征曲线如图7所示[5]。

DMS4022E采用SOT-223封装，主要参数为：耗散功率1.5 W，耐压400 V，饱和电流大于200 mA，导通电阻最大值20 Ω左右。电性曲线如图8所示[6]。

采用DMS4022E，支持高达48 V的高电压输入，并同时抑制高达400 V的瞬态浪涌，对系统实行有效的过压、过流保护，这对于诸如工业现场、电机控制、变频调速等复杂电磁环境的应用尤为重要。汽车中有许多电机，这些感性负载可能产生高达300 V的电压瞬态，因此选择DMS4022E能有效地防止瞬态干扰和破坏。

3.2 国产器件与进口器件ESD能力比较

AD421应用手册上推荐的DN3545、DN2540、DN3525等DN25D系列，不带ESD保护功能，而DMX1072（DMS1072）/ DMS4022E （DMX4022E）的ESD保护测试标准采用通用的美国电子工业协会JEDEC EIA / JESD22-A114（HBM），人体放电模式的ESDVESD(G-S)分别达到1,700/3,500 V，可以对各种环境下的静电干扰起到很好的防护作用，大大增加了系统的安全性和稳定性。

3.2.1 产品设计比较

从DN2540产品和DMS4022E产品的规格书上可知，2款产品的结构如图9所示[6-7]。

从各自的结构示意图上可以明显看出，在DMS4022E的栅-源两端并联有双向ESD保护二极管，而DN2540的栅-源结构上没有ESD保护设计。

3.2.2 实际ESD（HBM）测试结果比较

为进一步验证国产器件DMS4022E和进口器件DN2540的ESD功能，分别各抽样20颗，采用美国电子工业协会关于防静电干扰的测试标准：JEDEC EIA/JESD22-A114，采用HBM模型进行测试，测试电路原理图如图10所示。

测试结果如表2所示。在具体实验中，由于模拟的静电高压设备最低电压为200 V，DN2540在200 V模拟静电下，20颗均失效，说明完全没有静电保护功能，在操作中稍有不慎，器件本身失效，对系统的稳定供电和抗瞬态干扰的目的均不能实现；而DMS4022E在G TO S (+) 初始电压：200 V，步长：100 V条件下，3,600 V失效，G TO S (-) 初始电压：200 V， 步长：100 V条件下，3,500 V失效。按照美国电子工业协会JEDEC EIA/JESD22-A114（HBM）器件电压分类标准：2级：2,000～3,999 V，3A级：4,000～8,000 V，DMS4022E完全达到2级ESD保护标准，接近3A级ESD保护标准，能够有效抑制静电干扰，全方位保护智能变送器的性能稳定和工作安全。

表2 DMS4022E、DN2540人体模型下ESD失效数据

4 结束语

通过对智能变送器DAC供电与保护需求的分析，重点对传统JET、普通耗尽型MOSFET和带ESD功能的耗尽型MOSFET从原理、应用和测试多角度比较，以应用实例说明带ESD功能的耗尽型MOSFET在变送器、接触器等领域应用的优势及未来发展趋势。

虽然增强型功率MOSFET作为主流的开关器件，占据了绝大部分市场份额，但耗尽型MOSFET作为一种特殊的器件，在实现一些电路拓扑中具有无可比拟的优势，广泛应用于NC固态继电器、“常闭”开关、线形运放、恒流源、恒压源和开关电源等。近年来，随着电子电气系统电源电压的降低和绿色能源计划的实施，系统的功耗设计正面临着更加严苛的要求。耗尽型MOSFET由于其独特的性能，其应用的广度和深度都在不断地拓展。利用耗尽型MOSFET，可以方便地实现零偏置放大器，不需要偏置电路，简化了电路设计，降低了系统成本，还大大降低了偏置电路的功耗；耗尽型MOSFET的亚阈值特性，可为负载提供稳定的供电，且输出电压可由内部钳位，无需稳压管，简化电路设计；如需要负电压开启，高频开关、开关电源启动等特定场合，耗尽型MOSFET是理想选择。目前，除智能变送器外，通信设备、物联网、汽车接触器、充电桩、BMS系统、欧标节能LED、PD3.0充电器等逐步广泛应用。

一直以来，仅有国外几家高端器件制造商：Infineon、Microchip、IXYS、Supertex生产耗尽型MOSFET，近年，国内半导体制造商也设计生产出耗尽型MOSFET系列产品，如ARK公司的DMZ系列，耐压从60～1,000 V，且所有产品带ESD保护功能，弥补了国外同类产品极少带ESD保护的不足，性能更加稳定可靠，避免因静电对整个电路造成损坏。国产耗尽型MOSFET器件应用日益普及，产品成熟可靠，性能、品质上都能达到进口同类产品水平。