在開(kāi)關(guān)電源當(dāng)中，開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷和開(kāi)通時(shí)間影響著開(kāi)關(guān)電源的工作效率，而MOS管的一些參數(shù)起著決定性的作用，那么MOS管的選擇又存在哪些技巧呢?
由于MOS管對(duì)電路的輸出有很好的益處，其在電源中經(jīng)常被當(dāng)作開(kāi)關(guān)元件使用。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
因?yàn)樵诜?wù)器當(dāng)中，電源是不斷工作著的，所以MOS管作為開(kāi)關(guān)器件，始終是處于導(dǎo)通的狀態(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)。
如想要設(shè)計(jì)出體積更小，成本更低的電源，就需要充分重視低導(dǎo)通阻抗。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)。
需要注意的是，當(dāng)處于DC電路當(dāng)中時(shí)，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。
此外，還有一些參數(shù)是在MOS管的選型時(shí)必須要重視的。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(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曲線也可以獲得漏極電流值。
當(dāng)電路設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)熱插拔功能時(shí)，SOA曲線更能發(fā)揮其本身的作用。在這種情況下，MOS管需要部分導(dǎo)通工作。SOA曲線定義了不同脈沖期間的電流和電壓限值。
順帶一提，剛才提到的額定電流也是一個(gè)需要思考的熱參數(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。
開(kāi)關(guān)電源中的MOS管
現(xiàn)在讓我們考慮開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用，以及這種應(yīng)用為何需要從一個(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)
之所以會(huì)有這么多文章來(lái)講開(kāi)關(guān)電源當(dāng)中的MOS管選擇，是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)復(fù)雜，而卻沒(méi)有適用于MOS管選擇的計(jì)算公式。所以在此時(shí)，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)被稱為軟開(kāi)關(guān)、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)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。
本篇文章對(duì)開(kāi)關(guān)電源當(dāng)中的MOS管參數(shù)選擇給出了一些意見(jiàn)。特別是對(duì)其中一些重要的參數(shù)進(jìn)行了著重的講解。通過(guò)參數(shù)的確定，我們就能更加快速準(zhǔn)確的為開(kāi)關(guān)電源選擇合適的MOS管。
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