为具体应用恰当的选择MOSFET的技巧

1、为具体应用恰当的选择 MOSFE的T 技巧鉴于 MOSFET技术的成熟，为设计选择一款 MOSFE表T 面上看是十分简单的事 情。虽然工程师都熟谙 MOSFE数T 据手册上的品质因数，但为了选择出合适的 MOSFE，T工程师必需利用自己的专业知识对各个具体应用的不同规格进行全面 仔细的考虑。例如，对于服务器电源中的负载开关这类应用，由于MOSFE基T 本上一直都是处于导通状态，故 MOSFE的T 开关特性无关紧要，而导通阻抗 (RDS(ON)却可能是这种应用的关键品质因数。然而，仍然有一些应用，比如开 关鉴于 MOSFET技术的成熟，为设计选择一款 MOSFE表T 面上看是十分简单的事 情。虽

2、然工程师都熟谙 MOSFE数T 据手册上的品质因数，但为了选择出合适的 MOSFE，T工程师必需利用自己的专业知识对各个具体应用的不同规格进行全面 仔细的考虑。例如，对于服务器电源中的负载开关这类应用，由于MOSFE基T 本上一直都是处于导通状态，故 MOSFE的T 开关特性无关紧要，而导通阻抗 (RDS(ON)却可能是这种应用的关键品质因数。然而，仍然有一些应用，比如开 关电源，把 MOSFE用T 作有源开关，因此工程师必须 * 估其它的 MOSFE性T 能参 数。下面让我们考虑一些应用及其 MOSFET规格参数的优先顺序。MOSFE最T 常见的应用可能是电源中的开关元件，此外，它们对电源输

3、出也大有 裨益。服务器和通信设备等应用一般都配置有多个并行电源，以支持N+1 冗余与持续工作 ( 图 1) 。各并行电源平均分担负载，确保系统即使在一个电源出现 故障的情况下仍然能够继续工作。不过，这种架构还需要一种方法把并行电源 的输出连接在一起，并保证某个电源的故障不会影响到其它的电源。在每个电 源的输出端，有一个功率 MOSFE可T 以让众电源分担负载，同时各电源又彼此隔 离 。起这种作用的 MOSFET被 称为 ORingFET，因为它们本质上是以 OR 逻 辑来连接多个电源的输出。用于针对 N+1冗余拓扑的并行电源控制的 MOSFET图 1 ：用于针对 N+1冗余拓扑的并行电源控制的

4、 MOSFE。T在 ORing FET应用中， MOSFE的T 作用是开关器件，但是由于服务器类应用中电 源不间断工作，这个开关实际上始终处于导通状态。其开关功能只发挥在启动 和关断，以及电源出现故障之时 。相比从事以开关为核心应用的设计人员， ORing FET应用设计人员显然必需关 注 MOSFE的T 不同特性。以服务器为例，在正常工作期间， MOSFE只T 相当于一 个导体。因此， ORing FET应用设计人员最关心的是最小传导损耗。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) 参数来定义导通阻抗；对 ORing FET

5、应用来说， RDS(ON) 也是最重要的器件特性。数据手册定义 RDS(ON) 与栅极 ( 或驱动 ) 电压 VGS 以及流经开关的电流有关，但对于充分的栅极驱动， RDS(ON) 是一个相对静态参数。例如，飞兆半导体 FDMS7650 的数据手册规 定，对于 10V 的栅极驱动，最大 RDS(ON) 为 0.99 m 。若设计人员试图开发尺寸最小、成本最低的电源，低导通阻抗更是加倍的重 要。在电源设计中，每个电源常常需要多个 ORing MOSFET并行工作，需要多个 器件来把电流传送给负载。在许多情况下，设计人员必须并联 MOSFE，T以有效 降低 RDS(ON。)需谨记，在 DC 电路中

6、，并联电阻性负载的等效阻抗小于每个负载单独的阻抗 值。比如，两个并联的 2 电阻相当于一个 1 的电阻 。因此，一般来说， 一个低 RDS(ON) 值的 MOSFE，T具备大额定电流，就可以让设计人员把电源中所 用 MOSFE的T 数目减至最少。除了 RDS(ON之) 外，在 MOSFE的T 选择过程中还有几个 MOSFE参T 数也对电源设 计人员非常重要。许多情况下，设计人员应该密切关注数据手册上的安全工作 区 (SOA)曲线，该曲线同时描述了漏极电流和漏源电压的关系。基本上，SOA定义了 MOSFET能够安全工作的电源电压和电流。在 ORing FET 应用中，首要问 题是：在 完全导通状

7、态 下 FET的电流传送能力。实际上无需 SOA曲线也可以 获得漏极电流值。再以 FDMS7650为例，该器件的额定电流为 36A，故非常适用 于服务器应用中所采用的典型 DC-DC电源。若设计是实现热插拔功能， SOA曲线也许更能发挥作用。在这种情况下， MOSFE需T 要部分导通工作。 SOA曲线定义了不同脉冲期间的电流和电压限值。注意刚刚提到的额定电流，这也是值得考虑的热参数，因为始终导通的 MOSFET 很容易发热。另外，日渐升高的结温也会导致 RDS(ON的) 增加。 MOSFE数T 据手 册规定了热阻抗参数，其定义为 MOSFE封T 装的半导体结散热能力。 RJC 的最 简单的定义

8、是结到管壳的热阻抗。细言之，在实际测量中其代表从器件结( 对于一个垂直 MOSFE，T即裸片的上表面附近 ) 到封装外表面的热阻抗，在数据手册 中有描述。若采用 PowerQFN封装，管壳定义为这个大漏极片的中心。因此， RJC 定义了裸片与封装系统的热效应。 RJA 定义了从裸片表面到周围环境 的热阻抗，而且一般通过一个脚注来标明与 PCB设计的关系，包括镀铜的层数 和厚度。总而言之， RJC在电源设计团队的控制范围以外，因为它是由所采用的器件 封装技术决定。先进的热性能增强型封装，比如飞兆半导体的Power 56，其RJC 规格在 1 和 2 oC/W 之间， FDMS7650的 规格为

9、1.2 oC/W 。设计团队可 以通过 PCB设计来改变 R JA 。最终，一个稳健的热设计有助于提高系统可靠 性， 延长系统平均无故障时间 (MTBF)。开关电源中的 MOSFET现在让我们考虑开关电源应用，以及这种应用如何需要从一个不同的角度来审 视数据手册。从定义上而言，这种应用需要 MOSFE定T 期导通和关断。同时，有 数十种拓扑可用于开关电源，这里考虑一个简单的例子。 DC-DC电源中常用的 基本降压转换器依赖两个 MOSFE来T执行开关功能 (图 2) ，这些开关交替在电感 里存储能量，然后把能量释放给负载。目前，设计人员常常选择数百 kHz 乃至 1 MHz 以上的频率，因为频

10、率越高，磁性元件可以更小更轻。用于开关电源应用的 MOSFET对图 2 ：用于开关电源应用的 MOSFE对T 。( DC-DC控制器)显然，电源设计相当复杂，而且也没有一个简单的公式可用于 MOSFE的T * 估。 但我们不妨考虑一些关键的参数，以及这些参数为什么至关重要。传统上，许 多电源设计人员都采用一个综合品质因数 ( 栅极电荷 QG 导通阻抗 RDS(ON)来 *估 MOSFE或T 对之进行等级划分。栅极电荷和导通阻抗之所以重要，是因为二者都对电源的效率有直接的影响。 对效率有影响的损耗主要分为两种形式 - 传导损耗和开关损耗。栅极电荷是产生开关损耗的主要原因。栅极电荷单位为纳库仑 (

11、nc) ，是 MOSFET 栅极充电放电所需的能量。栅极电荷和导通阻抗 RDS(ON) 在半导体设计和制造 工艺中相互关联，一般来说，器件的栅极电荷值较低，其导通阻抗参数就稍 开关电源中第二重要的 MOSFE参T 数包括输出电容、阈值电压、栅极阻抗和雪崩 能量。某些特殊的拓扑也会改变不同 MOSFE参T 数的相关品质，例如，可以把传统的同 步降压转换器与谐振转换器做比较。谐振转换器只在 VDS (漏源电压)或ID ( 漏 极电流 ) 过零时才进行 MOSFE开T 关，从而可把开关损耗降至最低。这些技术被 成为软开关或零电压开关 (ZVS)或零电流开关 (ZCS)技术。由于开关损耗被最小 化，

12、RDS(ON) 在这类拓扑中显得更加重要。低输出电容 (COSS)值对这两类转换器都大有好处。谐振转换器中的谐振电路主 要由变压器的漏电感与 COSS决定。此外，在两个 MOSFE关T 断的死区时间内， 谐振电路必须让 COSS完全放电。因此，谐振拓扑很看重较低的 COS。S 考虑图 3 所示的飞兆半导体 FDMS7650的 COSS与 VDS的关系图。FDMS7650的 COSS与 VDS的关系图图 3： FDMS7650的 COSS与 VDS的关系图。低输出电容也有利于传统的降压转换器 （ 有时又称为硬开关转换器 ） ，不过原因 不同。因为每个硬开关周期存储在输出电容中的能量会丢失，反之在

13、谐振转换 器中能量反复循环。因此，低输出电容对于同步降压调节器的低边开关尤其重 要。马达控制应用的 MOSFET马达控制应用是功率 MOSFET大有用武之地的另一个应用领域，这时最重要的选 择基准可能又与其它大不相同。不同于现代开关电源，马达控制电路不在高频 下开关。典型的半桥式控制电路采用 2 个 MOSFET 全（ 桥式则采用 4个） ，但这 两个 MOSFET的关断时间 （死区时间 ）相等。对于这类应用，反向恢复时间 （trr） 非常重要。在控制电感式负载 （ 比如马达绕组 ） 时，控制电路把桥式电路中的 MOSFE切T 换到关断状态，此时桥式电路中的另一个开关经由 MOSFE中T 的体

14、二 极管临时反向传导电流。于是，电流重新循环，继续为马达供电。当第一个 MOSFE再T 次导通时，另一个 MOSFE二T 极管中存储的电荷必须被移除，通过第 一个 MOSFET放电，而这是一种能量的损耗，故 trr 越短，这种损耗越小。所以，若设计团队需要在电源电路采用 MOSFE，T在* 估过程开始之前，需对手 中的应用进行仔细全面的考虑。应根据自己的需求而非制造商吹嘘的特定规格 来对各项参数进行优先级划分。补充：利用 IC 和封装设计获得最小的 RDS（ON） 规格在 MOSFE的T 选择过程中， * 估参数的设计人员一般通过仔细分析相关规格来了 解自己到底需要什么。但有时深入了解 IC 制造商如何提供工作特性是很有必要 的。以 RDS（ON为） 例，你也许通常期望该规格只与器件的设计及半导体制造工 艺有关。但实际上，封装设计对导通阻抗 RDS（ON） 的最小化有着巨大的影响。封装对 RDS（ON的） 作用巨大是因为该参数主要取决于传导损耗，而封装无疑可 以影响传导损耗。考虑本文正文提及的飞兆半导体 FD