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的技巧鉴于MOSFE技术的成熟，为设计选择一款MOSFE表面上看是十分简单的事 情。虽然工程师都熟谙 MOSFE数据手册上的品质因数，但为了选择出合适的 MOSFET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基本上一直都是处于导通状态，故 MOSFE的开关特性无关紧要，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MOSFE技术的成熟，为设计选择一款MOSFE表面上看是十分简单的事 情。虽然工程师都熟谙 MOSFE数据手册上的品

2、质因数，但为了选择出合适的 MOSFET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基本上一直都是处于导通状态，故 MOSFE的开关特性无关紧要，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用作有源开关，因此工程师必须*估其它的MOSFE性能参 数。下面让我们考虑一些应用及其 MOSFE规格参数的优先顺序。MOSFE最常见的应用可能是电源中的开关元件，此外，它们对电源输出也大有 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

3、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MOSFE被称为"ORing"FET,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 MOSFET在ORing FET应用中，MOSFE的作用是开关

4、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的不同特性。以服务器为例，在正常工作期间， MOSFE只相当于- 个导体。因此，ORi ng FET应用设计人员最关心的是最小传导损耗。低RDS(ON)可把BOM PCB尺寸降至最小 一般而言，MOSFE制造商采用RDS(ON)参数来定义导通阻抗；对 ORing FET 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

5、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 Q。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 MOSFE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 MOSFET以有效 降低 RDS(ON。)需谨记，在 DC 电路中，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2Q电阻相当于一个1Q的电阻。因此，一般来说， 一个低R

6、DS(ON)值的MOSFET具备大额定电流，就可以让设计人员把电源中所 用MOSFE的数目减至最少。除了 RDS(ON之外，在MOSFE的选择过程中还有几个 MOSFE参数也对电源设 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 MOSFE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FDMS765为例，该器件的额定电流为36A,故非常适用 于服务器应

7、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数据手 册规定了热阻抗参数，其定义为 MOSFE封装的半导体结散热能力。R9 JC的最 简单的定义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MOSFET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，

8、管壳定义为这个大漏极片的中心。因此， R9 JC定义了裸片与封装系统的热效应。 R9 JA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，R9 JC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R9 JC规格在1和2 oC/W 之间，FDMS7650勺规格为1.2 oC/W。设计团队可 以通过PCB设计来改变R 9 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

9、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，因为频率越高，磁性元件可以更小更轻。用于开关电源应用的MOSFE对图2:用于开关电源应用的 MOSFE对。(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*估。但我们不妨考虑一些关键的

10、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QGX导通阻抗RDS(ON)来 *估MOSFE或对之进行等级划分。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(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

11、改变不同 MOSFE参数的相关品质，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，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COSSfe定。此外，在两个MOSFE关断的死区时间内， 谐振电路必须让COS究全放电。因此，谐振拓扑很看重较低的 COSS考虑图3 所示的飞兆半导体FDMS7650勺CO

12、SSf VDS的关系图。FDMS765的COS与VDS的关系图图 3: FDMS7650勺 COSSf 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MOSFE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MOSFE的关

13、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切换到关断状态，此时桥式电路中的另一个开关经由MOSFE中的体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再次导通时，另一个 MOSFE二极管中存储的电荷必须被移除，通过第 一个MOSFE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 MOSFET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 FDMS765C和