開(kāi)關(guān)電源mos管選型

MOS管最常見(jiàn)的應用可能是電源中的開(kāi)關(guān)元件，此外，它們對電源輸出也大有裨益。服務(wù)器和通信設備等應用一般都配置有多個(gè)并行電源，以支持N+1 冗余與持續工作 (圖1)。各并行電源平均分擔負載，確保系統即使在一個(gè)電源出現故障的情況下仍然能夠繼續工作。不過(guò)，這種架構還需要一種方法把并行電源的輸出連接在一起，并保證某個(gè)電源的故障不會(huì )影響到其它的電源。在每個(gè)電源的輸出端，有一個(gè)功率MOS管可以讓眾電源分擔負載，同時(shí)各電源又彼此隔離 。起這種作用的MOS管被稱(chēng)為"ORing"FET，因為它們本質(zhì)上是以 "OR" 邏輯來(lái)連接多個(gè)電源的輸出。

一、開(kāi)關(guān)電源上的MOS管選擇方法

圖1：用于針對N+1冗余拓撲的并行電源控制的MOS管

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。

二、低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺寸降至最小

一般而言，MOS管制造商采用RDS(ON) 參數來(lái)定義導通阻抗;對ORing FET應用來(lái)說(shuō)，RDS(ON) 也是最重要的器件特性。數據手冊定義RDS(ON) 與柵極 (或驅動(dòng)) 電壓 VGS 以及流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流有關(guān)，但對于充分的柵極驅動(dòng)，RDS(ON) 是一個(gè)相對靜態(tài)參數。

若設計人員試圖開(kāi)發(fā)尺寸最小、成本最低的電源，低導通阻抗更是加倍的重要。在電源設計中，每個(gè)電源常常需要多個(gè)ORing MOS管并行工作，需要多個(gè)器件來(lái)把電流傳送給負載。在許多情況下，設計人員必須并聯(lián)MOS管，以有效降低RDS(ON)。

需謹記，在 DC 電路中，并聯(lián)電阻性負載的等效阻抗小于每個(gè)負載單獨的阻抗值。比如，兩個(gè)并聯(lián)的2Ω 電阻相當于一個(gè)1Ω的電阻 。因此，一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)低RDS(ON) 值的MOS管，具備大額定電流，就可以讓設計人員把電源中所用MOS管的數目減至最少。

除了RDS(ON)之外，在MOS管的選擇過(guò)程中還有幾個(gè)MOS管參數也對電源設計人員非常重要。許多情況下，設計人員應該密切關(guān)注數據手冊上的安全工作區(SOA)曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)同時(shí)描述了漏極電流和漏源電壓的關(guān)系?；旧?，SOA定義了MOSFET能夠安全工作的電源電壓和電流。在ORing FET應用中，首要問(wèn)題是：在"完全導通狀態(tài)"下FET的電流傳送能力。實(shí)際上無(wú)需SOA曲線(xiàn)也可以獲得漏極電流值。

若設計是實(shí)現熱插拔功能，SOA曲線(xiàn)也許更能發(fā)揮作用。在這種情況下，MOS管需要部分導通工作。SOA曲線(xiàn)定義了不同脈沖期間的電流和電壓限值。

注意剛剛提到的額定電流，這也是值得考慮的熱參數，因為始終導通的MOS管很容易發(fā)熱。另外，日漸升高的結溫也會(huì )導致RDS(ON)的增加。MOS管數據手冊規定了熱阻抗參數，其定義為MOS管封裝的半導體結散熱能力。RθJC的最簡(jiǎn)單的定義是結到管殼的熱阻抗。細言之，在實(shí)際測量中其代表從器件結(對于一個(gè)垂直MOS管，即裸片的上表面附近)到封裝外表面的熱阻抗，在數據手冊中有描述。若采用PowerQFN封裝，管殼定義為這個(gè)大漏極片的中心。因此，RθJC 定義了裸片與封裝系統的熱效應。RθJA 定義了從裸片表面到周?chē)h(huán)境的熱阻抗，而且一般通過(guò)一個(gè)腳注來(lái)標明與PCB設計的關(guān)系，包括鍍銅的層數和厚度。

三、開(kāi)關(guān)電源中的MOS管

現在讓我們考慮開(kāi)關(guān)電源應用，以及這種應用如何需要從一個(gè)不同的角度來(lái)審視數據手冊。從定義上而言，這種應用需要MOS管定期導通和關(guān)斷。同時(shí)，有數十種拓撲可用于開(kāi)關(guān)電源，這里考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉換器依賴(lài)兩個(gè)MOS管來(lái)執行開(kāi)關(guān)功能(圖2)，這些開(kāi)關(guān)交替在電感里存儲能量，然后把能量釋放給負載。目前，設計人員常常選擇數百kHz乃至1 MHz以上的頻率，因為頻率越高，磁性元件可以更小更輕。

四、開(kāi)關(guān)電源上的MOS管選擇方法

圖2：用于開(kāi)關(guān)電源應用的MOS管對。(DC-DC控制器)

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。

五、mos管初選基本步驟

1 電壓應力

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。

2 漏極電流

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 。

3 驅動(dòng)要求

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）

4 損耗及散熱

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。

5 損耗功率初算

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。

6 耗散功率約束

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。

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