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  • 場效應(yīng)管應(yīng)用電路設(shè)計與基礎(chǔ)選型
    • 發(fā)布時間:2019-09-18 14:42:30
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    場效應(yīng)管應(yīng)用電路
    MOSFET廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路中,和我們的生活密不可分。MOSFET的優(yōu)勢在于:首先驅(qū)動場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路比較簡單。MOSFET需要的驅(qū)動電流比 BJT則小得多,而且通??梢灾苯佑蒀MOS或者集電極開路TTL驅(qū)動電路驅(qū)動;其次MOSFET的開關(guān)速度比較迅速,能夠以較高的速度工作,因為沒有電荷存儲效應(yīng);另外MOSFET沒有二次擊穿失效機理,它在溫度越高時往往耐力越強,而且發(fā)生熱擊穿的可能性越低,還可以在較寬的溫度范圍內(nèi)提供較好的性 能。MOSFET已經(jīng)得到了大量應(yīng)用,在消費電子、工業(yè)產(chǎn)品、機電設(shè)備、智能手機以及其他便攜式數(shù)碼電子產(chǎn)品中隨處可見。
    近年來,隨著汽車、通信、能源、消費、綠色工業(yè)等大量應(yīng)用MOSFET產(chǎn)品的行業(yè)在近幾年來得到了快速的發(fā)展,功率MOSFET更是備受關(guān)注。據(jù)預(yù)測,2010-2015年中國功率MOSFET市場的總體復合年度增長率將達到13.7%。雖然市場研究公司 iSuppli 表示由于宏觀的投資和經(jīng)濟政策和日本地震帶來的晶圓與原材料供應(yīng)問題,今年的功率MOSFET市場會放緩,但消費電子和數(shù)據(jù)處理的需求依然旺盛,因此長期來看,功率MOSFET的增長還是會持續(xù)一段相當長的時間。
    技術(shù)一直在進步,功率MOSFET市場逐漸受到了新技術(shù)的挑戰(zhàn)。例如,業(yè)內(nèi)有不少公司已經(jīng)開始研發(fā)GaN功率器件,并且斷言硅功率MOSFET的性能可提 升的空間已經(jīng)非常有限。不過,GaN 對功率MOSFET市場的挑戰(zhàn)還處于非常初期的階段,MOSFET在技術(shù)成熟度、供應(yīng)量等方面仍然占據(jù)明顯的優(yōu)勢,經(jīng)過三十多年的發(fā)展,MOSFET市場 也不會輕易被新技術(shù)迅速替代。
    五年甚至更長的時間內(nèi),MOSFET仍會占據(jù)主導的位置。MOSFET也仍將是眾多剛?cè)胄械墓こ處煻紩佑|到的器件,本期半月談將會從基礎(chǔ)開始,探討MOSFET的一些基礎(chǔ)知識,包括選型、關(guān)鍵參數(shù)的介紹、系統(tǒng)和散熱的考慮等等;
    MOSFET的選型基礎(chǔ)
    MOSFET有兩大類型:N溝道和P溝道。在功率系統(tǒng)中,MOSFET可被看成電氣開關(guān)。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時,其開關(guān)導 通。導通時,電流可經(jīng)開關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內(nèi)阻,稱為導通電阻RDS(ON)。必須清楚MOSFET的柵極是個高阻抗端,因此,總 是要在柵極加上一個電壓。如果柵極為懸空,器件將不能按設(shè)計意圖工作,并可能在不恰當?shù)臅r刻導通或關(guān)閉,導致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電 壓為零時,開關(guān)關(guān)閉,而電流停止通過器件。雖然這時器件已經(jīng)關(guān)閉,但仍然有微小電流存在,這稱之為漏電流,即IDSS。
    作為電氣系統(tǒng)中的基本部件,工程師如何根據(jù)參數(shù)做出正確選擇呢?本文將討論如何通過四步來選擇正確的MOSFET。
    1)溝道的選擇
    為設(shè)計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET.在典型的功率場效應(yīng)管應(yīng)用電路應(yīng)用中,當一個MOSFET接地,而負載連接到干線電 壓上時,該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中,應(yīng)采用N溝道MOSFET,這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當MOSFET連接到 總線及負載接地時,就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOSFET,這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮。
    2)電壓和電流的選擇
    額定電壓越大,器件的成本就越高。根據(jù)實踐經(jīng)驗,額定電壓應(yīng)當大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護,使MOSFET不 會失效。就選擇MOSFET而言,必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓,即最大VDS.設(shè)計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關(guān)電子設(shè)備(如電機 或變壓器)誘發(fā)的電壓瞬變。不同應(yīng)用的額定電壓也有所不同;通常,便攜式設(shè)備為20V、FPGA電源為20~30V、85~220VAC應(yīng)用為450~600V。
    在連續(xù)導通模式下,MOSFET處于穩(wěn)態(tài),此時電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流,只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可。
    3)計算導通損耗
    MOSFET器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算,由于導通電阻隨溫度變化,因此功率耗損也會隨之按比例變化。對便攜 式設(shè)計來說,采用較低的電壓比較容易(較為普遍),而對于工業(yè)設(shè)計,可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS(ON)電 阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。
    4)計算系統(tǒng)的散熱要求
    設(shè)計人員必須考慮兩種不同的情況,即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結(jié)果,因為這個結(jié)果提供更大的安全余量,能 確保系統(tǒng)不會失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數(shù)據(jù);比如封裝器件的半導體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻,以及最大的結(jié)溫。
    開關(guān)損耗其實也是一個很重要的指標。從下圖可以看到,導通瞬間的電壓電流乘積相當大。一定程度上決定了器件的開關(guān)性能。不過,如果系統(tǒng)對開關(guān)性能要求比較高,可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET。
    場效應(yīng)管應(yīng)用電路
    場效應(yīng)管應(yīng)用案例解析
    1. 開關(guān)電源應(yīng)用
    從定義上而言,這種場效應(yīng)管應(yīng)用電路應(yīng)用需要MOSFET定期導通和關(guān)斷。同時,有數(shù)十種拓撲可用于開關(guān)電源,這里考慮一個簡單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依靠兩個MOSFET來執(zhí)行開關(guān)功能(下圖),這些開關(guān)交替在電感里存儲能量,然后把能量開釋給負載。目前,設(shè)計職員經(jīng)常選擇數(shù)百kHz乃至1 MHz以上的頻率,由于頻率越高,磁性元件可以更小更輕。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。
    場效應(yīng)管應(yīng)用電路
    2.馬達控制應(yīng)用
    馬達控制應(yīng)用是功率MOSFET大有用武之地的另一個應(yīng)用領(lǐng)域。典型的半橋式控制場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路采用2個MOSFET (全橋式則采用4個),但這兩個MOSFET的關(guān)斷時間(死區(qū)時間)相等。對于這類應(yīng)用,反向恢復時間(trr)非常重要。在控制電感式負載(比如馬達繞組)時,控制電路把橋式電路中的MOSFET切換到關(guān)斷狀態(tài),此時橋式電路中的另一個開關(guān)經(jīng)過MOSFET中的體二極管臨時反向傳導電流。于是,電流重新循環(huán),繼續(xù)為馬達供電。當?shù)谝粋€MOSFET再次導通時,另一個MOSFET二極管中存儲的電荷必須被移除,通過第一個MOSFET放電,而這是一種能量的損耗,故trr 越短,這種損耗越小。
    3.汽車應(yīng)用
    過去的近20年里,汽車用功率MOSFET已經(jīng)得到了長足發(fā)展。選用功率MOSFET是因為其能夠耐受汽車電子系統(tǒng)中常遇到的掉載和系統(tǒng)能量突變等引起的 瞬態(tài)高壓現(xiàn)象,且其封裝簡單,主要采用TO220 和 TO247封裝。同時,電動車窗、燃油噴射、間歇式雨刷和巡航控制等應(yīng)用已逐漸成為大多數(shù)汽車的標配,在設(shè)計中需要類似的功率器件。在這期間,隨著電機、 螺線管和燃油噴射器日益普及,車用功率MOSFET也不斷發(fā)展壯大。
    汽車設(shè)備中所用的MOSFET器件涉及廣泛的電壓、電流和導通電阻范圍。電機控制設(shè)備橋接配置會使用30V和40V擊穿電壓型號;而在必須控制負載突卸和 突升啟動情況的場合,會使用60V裝置驅(qū)動負載;當行業(yè)標準轉(zhuǎn)移至42V電池系統(tǒng)時,則需采用75V技術(shù)。高輔助電壓的設(shè)備需要使用100V至150V型款;至于400V以上的MOSFET器件則場效應(yīng)管應(yīng)用電路應(yīng)用于發(fā)動機驅(qū)動器機組和高亮度放電(HID)前燈的控制場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路。
    汽車MOSFET驅(qū)動電流的范圍由2A至100A以上,導通電阻的范圍為2mΩ至100mΩ。MOSFET的負載包括電機、閥門、燈、加熱部件、電容性壓電組件和DC/DC電源。開關(guān)頻率的范圍通常為10kHz 至100kHz,必須注意的是,電機控制不適用開關(guān)頻率在20kHz以上。其它的主要需求是UIS性能,結(jié)點溫度極限下(-40度至175度,有時高達200度)的工作狀況,以及超越汽車使用壽命的高可靠性。
    4. LED 燈具的驅(qū)動
    設(shè)計LED燈具的時候經(jīng)常要使用MOS管,對LED恒流驅(qū)動而言,一般使用NMOS.功率MOSFET和雙極型晶體管不同,它的柵極電容比較大,在導通之前要先對該電容充電,當電容電壓超過閾值電壓(VGS-TH)時MOSFET才開始導通。因此,設(shè)計時必須注意柵極驅(qū)動器負載能力必須足夠大,以保證在系統(tǒng)要求的時間內(nèi)完成對等效柵極電容(CEI)的充電。
    而MOSFET的開關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系。使用者雖然無法降低Cin的值,但可以降低柵極驅(qū)動回路信號源內(nèi)阻Rs的值,從而減小柵極回路 的充放電時間常數(shù),加快開關(guān)速度一般IC驅(qū)動能力主要體現(xiàn)在這里,我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅(qū)動恒流IC。內(nèi)置MOSFET的IC當然 不用我們再考慮了,一般大于1A電流會考慮外置MOSFET。為了獲得到更大、更靈活的LED功率能力,外置MOSFET是唯一的選擇方式,IC需要合適 的驅(qū)動能力,MOSFET輸入電容是關(guān)鍵的參數(shù)。下圖Cgd和Cgs是MOSFET等效結(jié)電容。
    場效應(yīng)管應(yīng)用電路
    一般IC的PWM OUT輸出內(nèi)部集成了限流電阻,具體數(shù)值大小同IC的峰值驅(qū)動輸出能力有關(guān),可以近似認為R=Vcc/Ipeak.一般結(jié)合IC驅(qū)動能力 Rg選擇在10-20Ω左右。
    一般的場效應(yīng)管應(yīng)用電路應(yīng)用中IC的驅(qū)動可以直接驅(qū)動MOSFET,但是考慮到通常驅(qū)動走線不是直線,感量可能會更大,并且為了防止外部干擾,還是要使用Rg驅(qū)動電阻進行抑制??紤]到走線分布電容的影響,這個電阻要盡量靠近MOSFET的柵極。
    場效應(yīng)管應(yīng)用電路
    以上討論的是MOSFET ON狀態(tài)時電阻的選擇,在MOSFET OFF狀態(tài)時為了保證柵極電荷快速瀉放,此時阻值要盡量小。通常為了保證快速瀉放,在Rg上可以并聯(lián)一個二極管。當瀉放電阻過小,由于走線電感的原因也會引起諧振(因此有些應(yīng)用中也會在這個二極管上串一個小電阻),但是由于二極管的反向電流不導通,此時Rg又參與反向諧振回路,因此可以抑制反向諧振的尖峰。
    估算導通損耗、輸出的要求和結(jié)區(qū)溫度的時候,就可以參考前文所指出的方法。
    場效應(yīng)管應(yīng)用原理描述
    MOSFET全稱為Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,中文名稱為金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)管。隨著制造工藝的成熟,MOSFET兼有體積小、重量輕、耗電省、壽命長等特點。而且MOSFET還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強等優(yōu)點,因而獲得了廣泛的應(yīng)用,特別是在大規(guī)模和超大規(guī)模集成場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路中占有重要的地位。
    作為一種場效應(yīng)管(FET),MOSFET為單極型器件,即管子只有一種載流子(電子或空穴)導電。從導電載流子的帶電極性來看,MOSFET有N(電子型)溝道和P(空穴型)溝道之分;按照導電溝道形成機理不同,又有增強型(E型)和耗盡型(D型)的區(qū)別。忽略MOSFET的工作原理,不同類型的管子特性比較如表3所示。
    場效應(yīng)管應(yīng)用電路
    表各種MOSFET的特性比較
    由表3中可知,在MOSFET中,N溝道增強型的轉(zhuǎn)移特性有正的開啟電壓 ,P溝道增強型則為負的;N溝道耗盡型的轉(zhuǎn)移特性有負的夾斷電壓 ,P溝道耗盡型則為正的。MOSFET的輸出特性曲線與BJT的類似,不同的是輸出端口的漏極電流 由柵源極電壓 控制。因此,MOSFET是一種電壓控制電流的器件,輸出特性的分析也不一樣。
    以N溝道增強型MOSFET AO3400A舉例,AO3400A的輸出特性如圖4所示。將曲線圖分為三個區(qū)域,分別為截止區(qū)、可變電阻區(qū)、飽和區(qū)(恒流區(qū)又稱放大區(qū))。
    1、截止區(qū)
    當 時,導電溝道尚未形成, ,為截止工作狀態(tài)。
    2、可變電阻區(qū)
    當 時,MOSFET處于可變電阻區(qū),此時輸出電阻 受 控制。
    3、飽和區(qū)
    當 ,且 時,MOSFET進入飽和區(qū)。 不隨 變化,而是由柵源極電壓控制。
    場效應(yīng)管應(yīng)用電路
    圖AO3400A輸出特性
    二、場效應(yīng)管應(yīng)用方案論證
    根據(jù)上述MOSFET的原理敘述,在上面提到的加熱控制電路中應(yīng)該采用N溝道增強型MOSFET代替原有的BJT,這里選擇AO3400A,于是有如圖5所示的MOSFET共源極放大電路。由于MOSFET是電壓控制器件,所以提供合適的柵源極電壓 ,就可以建立合適的靜態(tài)工作點,使場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路工作在正常狀態(tài)。
    場效應(yīng)管應(yīng)用電路
    圖 MOSFET加熱控制電路
    根據(jù)N溝道增強型MOSFET AO3400A的數(shù)據(jù)手冊,AO3400A的開啟電壓在常溫25℃下為 。當環(huán)境溫度下降到10℃時,場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路開始工作。此時NTC型熱敏電阻的阻值增大至17.958kΩ,MOSFET導通,即柵源極電壓 ,在這里需要將分壓電阻 的阻值調(diào)整為47kΩ。隨著溫度的下降,柵源極電壓 增大,流過發(fā)熱電阻的電流 也隨著 增大。
    舉例說明,當環(huán)境溫度下降到-20℃時,熱敏電阻的阻值增大至67.801kΩ,柵源極電壓增大至 。使用萬用表實測得到漏源極電壓 ,說明MOSFET工作在可變電阻區(qū)內(nèi);同時測得漏極電流 ,可計算得到發(fā)熱電阻的功率為 ,實際發(fā)熱效果可靠,場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路功能實現(xiàn)。
    場效應(yīng)管應(yīng)用
    (1)常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換。
    (2)場效應(yīng)管可以用作可變電阻。
    (3)應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。
    (4)場效應(yīng)管可以方便地用作恒流源。
    (5)場效應(yīng)管可以用作電子開關(guān)。
    (6)場效應(yīng)管在其輸入端基本不取電流或電流極小,具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡單等特點,在大規(guī)模和超大規(guī)模集成場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路中被應(yīng)用。
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