摘要

具有ESD保护功能的耗尽型MOSFET代替JFET器件和普通耗尽型MOSFET，能有效抑制各种干扰，极大提高整个系统的稳定性和安全性。由于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，系统智能化、集成化、小型化的发展趋势对智能变送器的性能、品质要求不断提高，关键模块DAC在恶劣环境下有效的抗干扰能力是整个变送器工作稳定、系统安全的重要保障。

传统的JFET器件能实现稳定供电，但不能起到有效的抗干扰作用。普通耗尽型MOSFET器件替代传统的JFET器件，能稳定供电，并能有效抑制浪涌、瞬态电流、电压干扰，但没有静电防护功能。为更有效解决系统电路保护的问题，通过对器件本身结构进行研究，开发自带ESD保护功能的耗尽型MOSFET。在实际测试和使用中有效验证了该器件对DAC模块的供电，不仅能稳定供电，抑制浪涌、瞬态电流、电压干扰，而且能有效消除静电对器件的损坏可能性。该器件的应用大大提高了智能变送器的稳定性，对自动驾驶汽车和医疗仪器的安全性有重要作用。

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4mA~20mA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4mA~20mA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。

01

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ESDV_ESD(G-S)分别达到1700V/3500V，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。

02

产品设计比较

图1 产品结构示意图

从DN2540产品和DMS4022E产品的规格书上可知，2款产品的结构如图1所示。

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。

03

实际ESD(HBM)测试结果比较

图2 ESD(HBM)测试原理图

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2所示。

表1 DMS4022E、DN2540人体模型下ESD失效数据

测试结果如表1所示。在具体实验中，由于模拟的静电高压设备最低电压为200V，DN2540在200V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：200V，步长：100V条件下，3600V失效，G TO S (-) 初始电压：200V，步长：100V条件下，3500V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:2000V~3999V，3A级:4000V~8000V，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。

04

总结

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、PD3.1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(方舟微)公司的 DMMOS^®系列，耐压从60V~1000V，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。

ARK(方舟微)成立于2008年，是国内唯一专注耗尽型MOSFET设计的公司。产品以集成控制的方式提供具有出众的功率处理和电源管理能力，自主研发的耗尽型MOSFET、SiC FET、PHOTOMOS继电器、IC集成功率器件等系列产品大量用于快充、LED、工业控制、电动汽车、通信电路、物联网、光伏、服务器电源和充电桩等领域。

公司创始人具有多年半导体行业研发与管理经验，团队包括：海归博士、国内顶尖大学硕士，及海外研发合作团队。所有产品均自主研发，相关技术已获发明专利，目前公司具有发明专利及集成电路布图近70项，是以自主研发为核心竞争力的半导体原厂。

    ARK(方舟微)的产品可直接替代Infineon、IXYS、Microchip等公司的器件，例如：DN3545、DN2540、DN2530、LND150N8、BSS169、BSS159、BSS139、BSS129、IRF6216、CPC3909、CPC5602、IXTA6N50D2、IXTY1N6R100D2、TC6320等。ARK(方舟微)可根据客户需求，提供特殊参数的器件定制开发服务，如：PMOS、N+P双沟道MOS、中压大电阻MOS等。

ARK(方舟微)产品包括工业类和消费类两条产品线。产品以高品质、高性能、低成本对标国外同类产品，实现国产替代，被国内外客户认可并广泛采用。