揭秘高效電源如何選擇合適的MOS管及方法詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-09-16
在ORing FET應用中，MOS管的作用是開(kāi)關(guān)器件，但是由于服務(wù)器類(lèi)應用中電源不間斷工作，這個(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)際上始終處于導通狀態(tài)。其開(kāi)關(guān)功能只發(fā)揮在啟動(dòng)和關(guān)斷，以及電源出現故障之時(shí) 。
相比從事以開(kāi)關(guān)為核心應用的設計人員，ORing FET應用設計人員顯然必需關(guān)注MOS管的不同特性。以服務(wù)器為例，在正常工作期間，MOS管只相當于一個(gè)導體。因此，ORing FET應用設計人員最關(guān)心的是最小傳導損耗。
顯然，電源設計相當復雜，而且也沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的公式可用于MOS管的評估。但我們不妨考慮一些關(guān)鍵的參數，以及這些參數為什么至關(guān)重要。傳統上，許多電源設計人員都采用一個(gè)綜合品質(zhì)因數(柵極電荷QG ×導通阻抗RDS(ON))來(lái)評估MOS管或對之進(jìn)行等級劃分。
柵極電荷和導通阻抗之所以重要，是因為二者都對電源的效率有直接的影響。對效率有影響的損耗主要分為兩種形式--傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗。
柵極電荷是產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗的主要原因。柵極電荷單位為納庫侖(nc)，是MOS管柵極充電放電所需的能量。柵極電荷和導通阻抗RDS(ON) 在半導體設計和制造工藝中相互關(guān)聯(lián)，一般來(lái)說(shuō)，器件的柵極電荷值較低，其導通阻抗參數就稍高。開(kāi)關(guān)電源中第二重要的MOS管參數包括輸出電容、閾值電壓、柵極阻抗和雪崩能量。
某些特殊的拓撲也會(huì )改變不同MOS管參數的相關(guān)品質(zhì)，例如，可以把傳統的同步降壓轉換器與諧振轉換器做比較。諧振轉換器只在VDS (漏源電壓)或ID (漏極電流)過(guò)零時(shí)才進(jìn)行MOS管開(kāi)關(guān)，從而可把開(kāi)關(guān)損耗降至最低。這些技術(shù)被成為軟開(kāi)關(guān)或零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)或零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)技術(shù)。由于開(kāi)關(guān)損耗被最小化，RDS(ON) 在這類(lèi)拓撲中顯得更加重要。
低輸出電容(COSS)值對這兩類(lèi)轉換器都大有好處。諧振轉換器中的諧振電路主要由變壓器的漏電感與COSS決定。此外，在兩個(gè)MOS管關(guān)斷的死區時(shí)間內，諧振電路必須讓COSS完全放電。
低輸出電容也有利于傳統的降壓轉換器(有時(shí)又稱(chēng)為硬開(kāi)關(guān)轉換器)，不過(guò)原因不同。因為每個(gè)硬開(kāi)關(guān)周期存儲在輸出電容中的能量會(huì )丟失，反之在諧振轉換器中能量反復循環(huán)。因此，低輸出電容對于同步降壓調節器的低邊開(kāi)關(guān)尤其重要。
在電源電路應用中，往往首先考慮漏源電壓VDS的選擇。在此上的基本原則為MOSFET實(shí)際工作環(huán)境中的最大峰值漏源極間的電壓不大于器件規格書(shū)中標稱(chēng)漏源擊穿電壓的 90% 。
即：
VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS
注：一般地， V(BR)DSS 具有正溫度系數。故應取設備最低工作溫度條件下之 V(BR)DSS 值作為參考。
其次考慮漏極電流的選擇?；驹瓌t為MOSFET實(shí)際工作環(huán)境中的最大周期漏極電流不大于規格書(shū)中標稱(chēng)最大漏源電流的90%；漏極脈沖電流峰值不大于規格書(shū)中標稱(chēng)漏極脈沖電流峰值的 90% 。
即：
ID_max ≤ 90% * ID
ID_pulse ≤ 90% * IDP
注：一般地，ID_max及ID_pulse具有負溫度系數，故應取器件在最大結溫條件下之ID_max及ID_pulse值作為參考。器件此參數的選擇是極為不確定的—主要是受工作環(huán)境，散熱技術(shù)，器件其它參數（如導通電阻，熱阻等）等相互制約影響所致。最終的判定依據是結點(diǎn)溫度（即如下第六條之“耗散功率約束”）。根據經(jīng)驗，在實(shí)際應用中規格書(shū)目中之ID會(huì )比實(shí)際最大工作電流大數倍，這是因為散耗功率及溫升之限制約束。在初選計算時(shí)期還須根據下面第六條的散耗功率約束不斷調整此參數。建議初選于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max 。
MOSFEF的驅動(dòng)要求由其柵極總充電電量（Qg）參數決定。在滿(mǎn)足其它參數要求的情況下，盡量選擇Qg小者以便驅動(dòng)電路的設計。驅動(dòng)電壓選擇在保證遠離最大柵源電壓（ VGSS ）前提下使 Ron 盡量小的電壓值（一般使用器件規格書(shū)中的建議值）
小的 Ron 值有利于減小導通期間損耗，小的 Rth 值可減小溫度差（同樣耗散功率條件下），故有利于散熱。
MOSFET 損耗計算主要包含如下 8 個(gè)部分：
即：
PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover
詳細計算公式應根據具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應用場(chǎng)合，還要考慮體內二極管正向導通期間的損耗和轉向截止時(shí)的反向恢復損耗。損耗計算可參考下文的“MOS管損耗的8個(gè)組成部分”部分。
器件穩態(tài)損耗功率 PD,max 應以器件最大工作結溫度限制作為考量依據。如能夠預先知道器件工作環(huán)境溫度，則可以按如下方法估算出最大的耗散功率：
即：
PD,max ≤（ Tj,max - Tamb ）/ Rθj-a
其中Rθj-a是器件結點(diǎn)到其工作環(huán)境之間的總熱阻包括Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance等。如其間還有絕緣材料還須將其熱阻考慮進(jìn)去。
在當今的開(kāi)關(guān)電源設備中，MOS管的特性、寄生參數和散熱條件都會(huì )對MOS管的工作性能產(chǎn)生重大影響。因此深入了解功率MOS管的工作原理和關(guān)鍵參數對電源設計工程師至關(guān)重要。
目前，影響開(kāi)關(guān)電源電源效率最大的兩個(gè)損耗因素是：導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，以下分別對這兩種損耗做具體分析。
1、導通損耗
導通損耗具體來(lái)講是由MOS管的導通阻抗Rds產(chǎn)生的，Rds與柵極驅動(dòng)電壓Vgs和流經(jīng)MOS管的電流有關(guān)。如果想要設計出效率更高、體積更小的電源，必須充分降低導通阻抗。如圖1所示是導通阻抗Rds、Vgs和Id的曲線(xiàn)圖：
2、開(kāi)關(guān)損耗
柵極電荷Qg是產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗的主要原因。柵極電荷是MOS管門(mén)極充放電所需的能量，相同電流、電壓規格的MOSFET，具有比較大的柵極電荷意味著(zhù)在MOS開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì )損耗更多的能量。所以，為了盡可能降低MOS管的開(kāi)關(guān)損耗，工程師在電源設計過(guò)程中需要選擇同等規格下Qg更低的MOS管作為主功率開(kāi)關(guān)管。如圖2所示是柵極電荷Qg與Vgs的曲線(xiàn)圖：
3、MOS管選型
針對開(kāi)關(guān)電源的應用，美國中央半導體（Central Semi）推出了一系列低Rds和Qg的功率MOSFET。代表型號為CDM2205-800FP，該MOS管具有以下性能優(yōu)勢：
? 最大耐壓為800V
? 最大連續電流5A
? 導通阻抗低至2.2Ω
? 柵極電荷Qg僅為17.4nC
如圖3所示是CDM2205-800FP在反激開(kāi)關(guān)電源中的應用。在電源設計器件選型中，首先根據電源的輸入電壓，確定器件所能承受的最大電壓，額定電壓越大，器件的成本就越高。然后需要確定 MOS管的額定電流，該額定電流應該是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。確保所選擇的MOS管能夠承受連續電流和脈沖尖峰。
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