開關(guān)電源上的MOS管選擇方法

（一）開關(guān)電源上的MOS管選擇方法

在ORing FET應(yīng)用中，MOS管的作用是開關(guān)器件，但是由于服務(wù)器類應(yīng)用中電源不間斷工作，這個(gè)開關(guān)實(shí)際上始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。其開關(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。

（二）開關(guān)電源上的MOS管選擇方法

顯然，電源設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，而且也沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的公式可用于MOS管的評(píng)估。但我們不妨考慮一些關(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)χM(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)損耗和開關(guān)損耗。

柵極電荷是產(chǎn)生開關(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管開關(guān)，從而可把開關(guān)損耗降至最低。這些技術(shù)被成為軟開關(guān)或零電壓開關(guān)(ZVS)或零電流開關(guān)(ZCS)技術(shù)。由于開關(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)又稱為硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器)，不過(guò)原因不同。因?yàn)槊總€(gè)硬開關(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)器的低邊開關(guān)尤其重要。

MOS管初選基本步驟

1 電壓應(yīng)力

在電源電路應(yīng)用中，往往首先考慮漏源電壓VDS的選擇。在此上的基本原則為MOSFET實(shí)際工作環(huán)境中的最大峰值漏源極間的電壓不大于器件規(guī)格書中標(biāo)稱漏源擊穿電壓的 90% 。

即：

VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS

注：一般地， V(BR)DSS 具有正溫度系數(shù)。故應(yīng)取設(shè)備最低工作溫度條件下之 V(BR)DSS 值作為參考。

2 漏極電流

其次考慮漏極電流的選擇。基本原則為MOSFET實(shí)際工作環(huán)境中的最大周期漏極電流不大于規(guī)格書中標(biāo)稱最大漏源電流的90%；漏極脈沖電流峰值不大于規(guī)格書中標(biāo)稱漏極脈沖電流峰值的 90% 。

即：

ID_max ≤ 90% * ID

ID_pulse ≤ 90% * IDP

注：一般地，ID_max及ID_pulse具有負(fù)溫度系數(shù)，故應(yīng)取器件在最大結(jié)溫條件下之ID_max及ID_pulse值作為參考。器件此參數(shù)的選擇是極為不確定的—主要是受工作環(huán)境，散熱技術(shù)，器件其它參數(shù)（如導(dǎo)通電阻，熱阻等）等相互制約影響所致。最終的判定依據(jù)是結(jié)點(diǎn)溫度（即如下第六條之“耗散功率約束”）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用中規(guī)格書目中之ID會(huì)比實(shí)際最大工作電流大數(shù)倍，這是因?yàn)樯⒑墓β始皽厣拗萍s束。在初選計(jì)算時(shí)期還須根據(jù)下面第六條的散耗功率約束不斷調(diào)整此參數(shù)。建議初選于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max 。

3 驅(qū)動(dòng)要求

MOSFEF的驅(qū)動(dòng)要求由其柵極總充電電量（Qg）參數(shù)決定。在滿足其它參數(shù)要求的情況下，盡量選擇Qg小者以便驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電壓選擇在保證遠(yuǎn)離最大柵源電壓（ VGSS ）前提下使 Ron 盡量小的電壓值（一般使用器件規(guī)格書中的建議值）

4 損耗及散熱

小的 Ron 值有利于減小導(dǎo)通期間損耗，小的 Rth 值可減小溫度差（同樣耗散功率條件下），故有利于散熱。

5 損耗功率初算

MOSFET 損耗計(jì)算主要包含如下 8 個(gè)部分：

即：

PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover

詳細(xì)計(jì)算公式應(yīng)根據(jù)具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應(yīng)用場(chǎng)合，還要考慮體內(nèi)二極管正向?qū)ㄆ陂g的損耗和轉(zhuǎn)向截止時(shí)的反向恢復(fù)損耗。損耗計(jì)算可參考下文的“MOS管損耗的8個(gè)組成部分”部分。

6 耗散功率約束

器件穩(wěn)態(tài)損耗功率 PD,max 應(yīng)以器件最大工作結(jié)溫度限制作為考量依據(jù)。如能夠預(yù)先知道器件工作環(huán)境溫度，則可以按如下方法估算出最大的耗散功率：

即：

PD,max ≤（ Tj,max - Tamb ）/ Rθj-a

其中Rθj-a是器件結(jié)點(diǎn)到其工作環(huán)境之間的總熱阻包括Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance等。如其間還有絕緣材料還須將其熱阻考慮進(jìn)去。

揭秘高效電源如何選擇合適的MOS管

在當(dāng)今的開關(guān)電源設(shè)備中，MOS管的特性、寄生參數(shù)和散熱條件都會(huì)對(duì)MOS管的工作性能產(chǎn)生重大影響。因此深入了解功率MOS管的工作原理和關(guān)鍵參數(shù)對(duì)電源設(shè)計(jì)工程師至關(guān)重要。

目前，影響開關(guān)電源電源效率最大的兩個(gè)損耗因素是：導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，以下分別對(duì)這兩種損耗做具體分析。

1、導(dǎo)通損耗

導(dǎo)通損耗具體來(lái)講是由MOS管的導(dǎo)通阻抗Rds產(chǎn)生的，Rds與柵極驅(qū)動(dòng)電壓Vgs和流經(jīng)MOS管的電流有關(guān)。如果想要設(shè)計(jì)出效率更高、體積更小的電源，必須充分降低導(dǎo)通阻抗。如圖1所示是導(dǎo)通阻抗Rds、Vgs和Id的曲線圖：

2、開關(guān)損耗

柵極電荷Qg是產(chǎn)生開關(guān)損耗的主要原因。柵極電荷是MOS管門極充放電所需的能量，相同電流、電壓規(guī)格的MOSFET，具有比較大的柵極電荷意味著在MOS開關(guān)過(guò)程中會(huì)損耗更多的能量。所以，為了盡可能降低MOS管的開關(guān)損耗，工程師在電源設(shè)計(jì)過(guò)程中需要選擇同等規(guī)格下Qg更低的MOS管作為主功率開關(guān)管。如圖2所示是柵極電荷Qg與Vgs的曲線圖：

3、MOS管選型

針對(duì)開關(guān)電源的應(yīng)用，美國(guó)中央半導(dǎo)體（Central Semi）推出了一系列低Rds和Qg的功率MOSFET。代表型號(hào)為CDM2205-800FP，該MOS管具有以下性能優(yōu)勢(shì)：

最大耐壓為800V

最大連續(xù)電流5A

導(dǎo)通阻抗低至2.2Ω

柵極電荷Qg僅為17.4nC

如圖3所示是CDM2205-800FP在反激開關(guān)電源中的應(yīng)用。在電源設(shè)計(jì)器件選型中，首先根據(jù)電源的輸入電壓，確定器件所能承受的最大電壓，額定電壓越大，器件的成本就越高。然后需要確定 MOS管的額定電流，該額定電流應(yīng)該是負(fù)載在所有情況下能夠承受的最大電流。確保所選擇的MOS管能夠承受連續(xù)電流和脈沖尖峰。

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