開(kāi)關(guān)電源mos管-開(kāi)關(guān)電源mos管有幾種選型設(shè)計(jì)方法詳解
信息來(lái)源：本站 日期：2018-01-05
MOS管最常見(jiàn)的應(yīng)用可能是電源中的開(kāi)關(guān)元件，此外，它們對(duì)電源輸出也大有裨益。服務(wù)器和通信設(shè)備等應(yīng)用一般都配置有多個(gè)并行電源，以支持N+1 冗余與持續(xù)工作 (圖1)。各并行電源平均分擔(dān)負(fù)載，確保系統(tǒng)即使在一個(gè)電源出現(xiàn)故障的情況下仍然能夠繼續(xù)工作。不過(guò)，這種架構(gòu)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(dān)負(fù)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?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是以 "OR" 邏輯來(lái)連接多個(gè)電源的輸出。
圖1：用于針對(duì)N+1冗余拓?fù)涞牟⑿须娫纯刂频腗OS管
在ORing FET應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(xiàn)故障之時(shí) 。
相比從事以開(kāi)關(guān)為核心應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員，ORing FET應(yīng)用設(shè)計(jì)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(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體。因此，ORing FET應(yīng)用設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的是最小傳導(dǎo)損耗。
一般而言，MOS管制造商采用RDS(ON) 參數(shù)來(lái)定義導(dǎo)通阻抗;對(duì)ORing FET應(yīng)用來(lái)說(shuō)，RDS(ON) 也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊(cè)定義RDS(ON) 與柵極 (或驅(qū)動(dòng)) 電壓 VGS 以及流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流有關(guān)，但對(duì)于充分的柵極驅(qū)動(dòng)，RDS(ON) 是一個(gè)相對(duì)靜態(tài)參數(shù)。
若設(shè)計(jì)人員試圖開(kāi)發(fā)尺寸最小、成本最低的電源，低導(dǎo)通阻抗更是加倍的重要。在電源設(shè)計(jì)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(fù)載。在許多情況下，設(shè)計(jì)人員必須并聯(lián)MOS管，以有效降低RDS(ON)。
需謹(jǐn)記，在 DC 電路中，并聯(lián)電阻性負(fù)載的等效阻抗小于每個(gè)負(fù)載單獨(dú)的阻抗值。比如，兩個(gè)并聯(lián)的2Ω 電阻相當(dāng)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(shè)計(jì)人員把電源中所用MOS管的數(shù)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(shù)也對(duì)電源設(shè)計(jì)人員非常重要。許多情況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該密切關(guān)注數(shù)據(jù)手冊(cè)上的安全工作區(qū)(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。基本上，SOA定義了MOSFET能夠安全工作的電源電壓和電流。在ORing FET應(yīng)用中，首要問(wèn)題是：在"完全導(dǎo)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(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)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(dǎo)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(shù)，因?yàn)槭冀K導(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。另外，日漸升高的結(jié)溫也會(huì)導(dǎo)致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了熱阻抗參數(shù)，其定義為MOS管封裝的半導(dǎo)體結(jié)散熱能力。RθJC的最簡(jiǎn)單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。細(xì)言之，在實(shí)際測(cè)量中其代表從器件結(jié)(對(duì)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(shù)據(jù)手冊(cè)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(tǒng)的熱效應(yīng)。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(biāo)明與PCB設(shè)計(jì)的關(guān)系，包括鍍銅的層數(shù)和厚度。
現(xiàn)在讓我們考慮開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用，以及這種應(yīng)用如何需要從一個(gè)不同的角度來(lái)審視數(shù)據(jù)手冊(cè)。從定義上而言，這種應(yīng)用需要MOS管定期導(dǎo)通和關(guān)斷。同時(shí)，有數(shù)十種拓?fù)淇捎糜陂_(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(zhuǎn)換器依賴(lài)兩個(gè)MOS管來(lái)執(zhí)行開(kāi)關(guān)功能(圖2)，這些開(kāi)關(guān)交替在電感里存儲(chǔ)能量，然后把能量釋放給負(fù)載。目前，設(shè)計(jì)人員常常選擇數(shù)百kHz乃至1 MHz以上的頻率，因?yàn)轭l率越高，磁性元件可以更小更輕。
圖2：用于開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用的MOS管對(duì)。(DC-DC控制器)
顯然，電源設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，而且也沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的公式可用于MOS管的評(píng)估。但我們不妨考慮一些關(guān)鍵的參數(shù)，以及這些參數(shù)為什么至關(guān)重要。傳統(tǒng)上，許多電源設(shè)計(jì)人員都采用一個(gè)綜合品質(zhì)因數(shù)(柵極電荷QG ×導(dǎo)通阻抗RDS(ON))來(lái)評(píng)估MOS管或?qū)χM(jìn)行等級(jí)劃分。
柵極電荷和導(dǎo)通阻抗之所以重要，是因?yàn)槎叨紝?duì)電源的效率有直接的影響。對(duì)效率有影響的損耗主要分為兩種形式--傳導(dǎo)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(kù)侖(nc)，是MOS管柵極充電放電所需的能量。柵極電荷和導(dǎo)通阻抗RDS(ON) 在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)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(dǎo)通阻抗參數(shù)就稍高。開(kāi)關(guān)電源中第二重要的MOS管參數(shù)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?fù)湟矔?huì)改變不同MOS管參數(shù)的相關(guān)品質(zhì)，例如，可以把傳統(tǒng)的同步降壓轉(zhuǎn)換器與諧振轉(zhuǎn)換器做比較。諧振轉(zhuǎn)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?fù)渲酗@得更加重要。
低輸出電容(COSS)值對(duì)這兩類(lèi)轉(zhuǎn)換器都大有好處。諧振轉(zhuǎn)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(qū)時(shí)間內(nèi)，諧振電路必須讓COSS完全放電。
低輸出電容也有利于傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器(有時(shí)又稱(chēng)為硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器)，不過(guò)原因不同。因?yàn)槊總€(gè)硬開(kāi)關(guān)周期存儲(chǔ)在輸出電容中的能量會(huì)丟失，反之在諧振轉(zhuǎn)換器中能量反復(fù)循環(huán)。因此，低輸出電容對(duì)于同步降壓調(diào)節(jié)器的低邊開(kāi)關(guān)尤其重要。
在電源電路應(yīng)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(guī)格書(shū)中標(biāo)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(shù)。故應(yīng)取設(shè)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(guī)格書(shū)中標(biāo)稱(chēng)最大漏源電流的90%；漏極脈沖電流峰值不大于規(guī)格書(shū)中標(biāo)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(fù)溫度系數(shù)，故應(yīng)取器件在最大結(jié)溫條件下之ID_max及ID_pulse值作為參考。器件此參數(shù)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(shù)（如導(dǎo)通電阻，熱阻等）等相互制約影響所致。最終的判定依據(jù)是結(jié)點(diǎn)溫度（即如下第六條之“耗散功率約束”）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用中規(guī)格書(shū)目中之ID會(huì)比實(shí)際最大工作電流大數(shù)倍，這是因?yàn)樯⒑墓β始皽厣拗萍s束。在初選計(jì)算時(shí)期還須根據(jù)下面第六條的散耗功率約束不斷調(diào)整此參數(shù)。建議初選于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max 。
MOSFEF的驅(qū)動(dòng)要求由其柵極總充電電量（Qg）參數(shù)決定。在滿(mǎn)足其它參數(shù)要求的情況下，盡量選擇Qg小者以便驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電壓選擇在保證遠(yuǎn)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(guī)格書(shū)中的建議值）
小的 Ron 值有利于減小導(dǎo)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(jì)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(xì)計(jì)算公式應(yīng)根據(jù)具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應(yīng)用場(chǎng)合，還要考慮體內(nèi)二極管正向?qū)ㄆ陂g的損耗和轉(zhuǎn)向截止時(shí)的反向恢復(fù)損耗。損耗計(jì)算可參考下文的“MOS管損耗的8個(gè)組成部分”部分。
器件穩(wěn)態(tài)損耗功率 PD,max 應(yīng)以器件最大工作結(jié)溫度限制作為考量依據(jù)。如能夠預(yù)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(jié)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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