如何為具體應(yīng)用選擇恰當(dāng)?shù)腗OSFET

雖然工程師都熟諳MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)上的品質(zhì)因數(shù)，但為了選擇出合適的MOSFET，工程師必需利用自己的專業(yè)知識(shí)對(duì)各個(gè)具體應(yīng)用的不同規(guī)格進(jìn)行全面仔細(xì)的考慮。例如，對(duì)于服務(wù)器電源中的負(fù)載開關(guān)這類應(yīng)用，由于MOSFET基本上一直都是處于導(dǎo)通狀態(tài)，故MOSFET的開關(guān)特性無(wú)關(guān)緊要，而導(dǎo)通阻抗(RDS(ON))卻可能是這種應(yīng)用的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)。然而，仍然有一些應(yīng)用，比如開關(guān)電源，把MOSFET用作有源開關(guān)，因此工程師必須評(píng)估其它的MOSFET性能參數(shù)。下面讓我們考慮一些應(yīng)用及其MOSFET規(guī)格參數(shù)的優(yōu)先順序。

　　MOSFET最常見的應(yīng)用可能是電源中的開關(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MOSFET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MOSFET 被稱為"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OSFET。

　　在ORing FET應(yīng)用中，MOSFET的作用是開關(guān)器件，但是由于服務(wù)器類應(yīng)用中電源不間斷工作，這個(gè)開關(guān)實(shí)際上始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。其開關(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MOSFET的不同特性。以服務(wù)器為例，在正常工作期間，MOSFET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。

　　低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺寸降至最小

　　一般而言，MOSFET 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)。例如，飛兆半導(dǎo)體 FDMS7650 的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定，對(duì)于10V 的柵極驅(qū)動(dòng)，最大RDS(ON) 為0.99 mΩ。

　　若設(shè)計(jì)人員試圖開發(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 MOSFET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)MOSFET，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MOSFET，具備大額定電流，就可以讓設(shè)計(jì)人員把電源中所用MOSFET的數(shù)目減至最少。

　　除了RDS(ON)之外，在MOSFET的選擇過(guò)程中還有幾個(gè)MOSFET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，該曲線同時(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曲線也可以獲得漏極電流值。再以FDMS7650為例，該器件的額定電流為36A，故非常適用于服務(wù)器應(yīng)用中所采用的典型DC-DC電源。

　　若設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)熱插拔功能，SOA曲線也許更能發(fā)揮作用。在這種情況下，MOSFET需要部分導(dǎo)通工作。SOA曲線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MOSFET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。MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了熱阻抗參數(shù)，其定義為MOSFET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MOSFET，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圍環(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。

　　總而言之，RθJC在電源設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的控制范圍以外，因?yàn)樗怯伤捎玫钠骷庋b技術(shù)決定。先進(jìn)的熱性能增強(qiáng)型封裝，比如飛兆半導(dǎo)體的Power 56，其RθJC 規(guī)格在1 和 2 oC/W之間，F(xiàn)DMS7650 的規(guī)格為 1.2 oC/W。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以通過(guò)PCB設(shè)計(jì)來(lái)改變 RθJA 。最終，一個(gè)穩(wěn)健的熱設(shè)計(jì)有助于提高系統(tǒng)可靠性， 延長(zhǎng)系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)。

　　開關(guān)電源中的MOSFET

　　現(xiàn)在讓我們考慮開關(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MOSFET定期導(dǎo)通和關(guān)斷。同時(shí)，有數(shù)十種拓?fù)淇捎糜陂_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)換器依賴兩個(gè)MOSFET來(lái)執(zhí)行開關(guān)功能(圖 2)，這些開關(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：用于開關(guān)電源應(yīng)用的MOSFET對(duì)。(DC-DC控制器)
顯然，電源設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，而且也沒有一個(gè)簡(jiǎn)單的公式可用于MOSFET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MOSFET或?qū)χM(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)損耗和開關(guān)損耗。

　　柵極電荷是產(chǎn)生開關(guān)損耗的主要原因。柵極電荷單位為納庫(kù)侖(nc)，是MOSFET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。

　　開關(guān)電源中第二重要的MOSFET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MOSFET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MOSFET開關(guān)，從而可把開關(guān)損耗降至最低。這些技術(shù)被成為軟開關(guān)或零電壓開關(guān)(ZVS)或零電流開關(guān)(ZCS)技術(shù)。由于開關(guān)損耗被最小化，RDS(ON) 在這類拓?fù)渲酗@得更加重要。

　　低輸出電容(COSS)值對(duì)這兩類轉(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)MOSFET關(guān)斷的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，諧振電路必須讓COSS完全放電。因此，諧振拓?fù)浜芸粗剌^低的COSS?？紤]圖3所示的飛兆半導(dǎo)體FDMS7650的COSS與VDS的關(guān)系圖。

　　圖3：FDMS7650的COSS與VDS的關(guān)系圖。

　　低輸出電容也有利于傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器(有時(shí)又稱為硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器)，不過(guò)原因不同。因?yàn)槊總€(gè)硬開關(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)器的低邊開關(guān)尤其重要。

　　馬達(dá)控制應(yīng)用的MOSFET

　　馬達(dá)控制應(yīng)用是功率MOSFET大有用武之地的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，這時(shí)最重要的選擇基準(zhǔn)可能又與其它大不相同。不同于現(xiàn)代開關(guān)電源，馬達(dá)控制電路不在高頻下開關(guān)。典型的半橋式控制電路采用2個(gè)MOSFET (全橋式則采用4個(gè))，但這兩個(gè)MOSFET的關(guān)斷時(shí)間(死區(qū)時(shí)間)相等。對(duì)于這類應(yīng)用，反向恢復(fù)時(shí)間(trr) 非常重要。在控制電感式負(fù)載(比如馬達(dá)繞組)時(shí)，控制電路把橋式電路中的MOSFET切換到關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)橋式電路中的另一個(gè)開關(guān)經(jīng)由MOSFET中的體二極管臨時(shí)反向傳導(dǎo)電流。于是，電流重新循環(huán)，繼續(xù)為馬達(dá)供電。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)MOSFET再次導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)MOSFET二極管中存儲(chǔ)的電荷必須被移除，通過(guò)第一個(gè)MOSFET放電，而這是一種能量的損耗，故trr 越短，這種損耗越小。

　　所以，若設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要在電源電路采用MOSFET，在評(píng)估過(guò)程開始之前，需對(duì)手中的應(yīng)用進(jìn)行仔細(xì)全面的考慮。應(yīng)根據(jù)自己的需求而非制造商吹噓的特定規(guī)格來(lái)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分。

　　補(bǔ)充：利用IC和封裝設(shè)計(jì)獲得最小的 RDS(ON) 規(guī)格

　　在MOSFET的選擇過(guò)程中，評(píng)估參數(shù)的設(shè)計(jì)人員一般通過(guò)仔細(xì)分析相關(guān)規(guī)格來(lái)了解自己到底需要什么。但有時(shí)深入了解IC制造商如何提供工作特性是很有必要的。以RDS(ON)為例，你也許通常期望該規(guī)格只與器件的設(shè)計(jì)及半導(dǎo)體制造工藝有關(guān)。但實(shí)際上，封裝設(shè)計(jì)對(duì)導(dǎo)通阻抗RDS(ON) 的最小化有著巨大的影響。

　　封裝對(duì)RDS(ON)的作用巨大是因?yàn)樵搮?shù)主要取決于傳導(dǎo)損耗，而封裝無(wú)疑可以影響傳導(dǎo)損耗。考慮本文正文提及的飛兆半導(dǎo)體FDMS7650 和1mΩ導(dǎo)通阻抗。該器件能獲得較低RDS(ON) 值，大約一半原因可歸結(jié)于封裝設(shè)計(jì)。其封裝采用一種堅(jiān)固的銅夾技術(shù)取代常用的鋁或金鍵合引線來(lái)連接源極和引線框架。這種方案把封裝阻抗降至最小，并降低了源極電感，源極電感是開關(guān)器件產(chǎn)生振鈴的主要原因。