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  • MOS管選型基礎(chǔ)和參數(shù)要點(diǎn)
    • 發(fā)布時(shí)間:2019-11-20 16:37:18
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    MOS管的基礎(chǔ)選型
    MOS管有兩大類(lèi)型:N 溝道和 P 溝道。在功率系統(tǒng)中,MOS管可被看成電氣開(kāi)關(guān)。當(dāng)在 N 溝道MOS管的柵極和源極間加上正電壓時(shí),其開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。導(dǎo)通時(shí),電流可經(jīng)開(kāi)關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個(gè)內(nèi)阻,稱為導(dǎo)通電阻 RDS(ON)。必須清楚MOS管的柵極是個(gè)高阻抗端,因此,總是要在柵極加上一個(gè)電壓。如果柵極為懸空,器件將不能按設(shè)計(jì)意圖工作,并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻導(dǎo)通或關(guān)閉,導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當(dāng)源極和柵極間的電壓為零時(shí),開(kāi)關(guān)關(guān)閉,而電流停止通過(guò)器件。雖然這時(shí)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(guò)四步來(lái)選擇正確的MOS管。
    MOS管基礎(chǔ)選型
    1)溝道的選擇
    為設(shè)計(jì)選擇正確器件的第一步是決定采用 N 溝道還是 P 溝道MOS管。在典型的功率應(yīng)用中,當(dāng)一個(gè)MOS管接地,而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí),該MOS管就構(gòu)成了低壓側(cè)開(kāi)關(guān)。在低壓側(cè)開(kāi)關(guān)中,應(yīng)采用 N 溝道MOS管,這是出于對(duì)關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOS管連接到總線及負(fù)載接地時(shí),就要用高壓側(cè)開(kāi)關(guān)。通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎?P 溝道MOS管,這也是出于對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn),額定電壓應(yīng)當(dāng)大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護(hù),使MOS管不會(huì)失效。就選擇MOS管而言,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(jì)工程師需要考慮的其他安全因素包括由開(kāi)關(guān)電子設(shè)備(如電機(jī)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(dǎo)通模式下,MOS管處于穩(wěn)態(tài),此時(shí)電流連續(xù)通過(guò)器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過(guò)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(gè)最大電流的器件便可。
    3)計(jì)算導(dǎo)通損耗
    MOS管器件的功率耗損可由 Iload2×RDS(ON)計(jì)算,由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化,因此功率耗損也會(huì)隨之按比例變化。對(duì)便攜式設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),采用較低的電壓比較容易(較為普遍),而對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì),可采用較高的電壓。注意 RDS(ON)電阻會(huì)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。
    需要提醒設(shè)計(jì)人員,一般來(lái)說(shuō) MOS 管規(guī)格書(shū)標(biāo)注的 Id 電流是 MOS 管芯片的最大常態(tài)電流,實(shí)際使用時(shí)的最大常態(tài)電流還要受封裝的最大電流限制。因此客戶設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)的最大使用電流設(shè)定要考慮封裝的最大電流限制。
    建議客戶設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)的最大使用電流設(shè)定更重要的是要考慮 MOS 管的內(nèi)阻參數(shù)。
    4)計(jì)算系統(tǒng)的散熱要求
    設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況,即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對(duì)最壞情況的計(jì)算結(jié)果,因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量,能確保系統(tǒng)不會(huì)失效。在MOS管的資料表上還有一些需要注意的測(cè)量數(shù)據(jù);比如封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻,以及最大的結(jié)溫。
    開(kāi)關(guān)損耗其實(shí)也是一個(gè)很重要的指標(biāo)。從下圖可以看到,導(dǎo)通瞬間的電壓電流乘積相當(dāng)大。
    一定程度上決定了器件的開(kāi)關(guān)性能。不過(guò),如果系統(tǒng)對(duì)開(kāi)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。
    MOS管參數(shù)
    (1)MOS管主要參數(shù)
    飽和漏極電流IDSS它可定義為:當(dāng)柵、源極之間的電壓等于零,而漏、源極之間的電壓大于夾斷電壓時(shí),對(duì)應(yīng)的漏極電流。
    夾斷電壓UP它可定義為:當(dāng)UDS一定時(shí),使ID減小到一個(gè)微小的電流時(shí)所需的UGS。
    開(kāi)啟電壓UT它可定義為:當(dāng)UDS一定時(shí),使ID到達(dá)某一個(gè)數(shù)值時(shí)所需的UGS。
    (2)MOS管交流參數(shù)
    交流參數(shù)可分為輸出電阻和低頻互導(dǎo)2個(gè)參數(shù),輸出電阻一般在幾十千歐到幾百千歐之間,而低頻互導(dǎo)一般在十分之幾至幾毫西的范圍內(nèi),特殊的可達(dá)100mS,甚至更高。
    低頻跨導(dǎo)gm它是描述柵、源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。
    極間電容MSO管三個(gè)電極之間的電容,它的值越小表示管子的性能越好。
    (3)MOS管極限參數(shù)
    ①最大漏極電流是指管子正常工作時(shí)漏極電流允許的上限值,
    ②最大耗散功率是指在管子中的功率,受到管子最高工作溫度的限制,
    ③最大漏源電壓是指發(fā)生在雪崩擊穿、漏極電流開(kāi)始急劇上升時(shí)的電壓,
    ④最大柵源電壓是指柵源間反向電流開(kāi)始急劇增加時(shí)的電壓值。
    除以上參數(shù)外,還有極間電容、高頻參數(shù)等其他參數(shù)。
    漏、源擊穿電壓當(dāng)漏極電流急劇上升時(shí),產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的UDS。
    柵極擊穿電壓結(jié)型MOS管正常工作時(shí),柵、源極之間的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài),若電流過(guò)高,則產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。
    (4)使用時(shí)主要關(guān)注的MOS管參數(shù)
    1、IDSS—飽和漏源電流。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵MOS管中,柵極電壓UGS=0時(shí)的漏源電流。
    2、UP—夾斷電壓。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵MOS管中,使漏源間剛截止時(shí)的柵極電壓。
    3、UT—開(kāi)啟電壓。是指增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效管中,使漏源間剛導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓。
    4、gM—跨導(dǎo)。是表示柵源電壓UGS—對(duì)漏極電流ID的控制能力,即漏極電流ID變化量與柵源電壓UGS變化量的比值。gM是衡量MOS管放大能力的重要參數(shù)。
    5、BUDS—漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時(shí),MOS管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項(xiàng)極限參數(shù),加在MOS管上的工作電壓必須小于BUDS。
    6、PDSM—最大耗散功率。也是一項(xiàng)極限參數(shù),是指MOS管性能不變壞時(shí)所允許的最大漏源耗散功率。使用時(shí),MOS管實(shí)際功耗應(yīng)小于PDSM并留有一定余量。7、IDSM—最大漏源電流。是一項(xiàng)極限參數(shù),是指MOS管正常工作時(shí),漏源間所允許通過(guò)的最大電流。MOS管的工作電流不應(yīng)超過(guò)IDSM。
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