电源,MOS管

电源

如何在(zai)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路中(zhong)正确(que)的(de)(de)选(xuan)择MOS管呢，这篇文章将(jiang)会列出8大原(yuan)(yuan)则供你参考。下(xia)面我(wo)们先来介绍一(yi)下(xia)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)基(ji)础(chu)知识。电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)是(shi)将(jiang)其它(ta)形式的(de)(de)能(neng)转换成电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)的(de)(de)装置。电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)自“磁生(sheng)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)”原(yuan)(yuan)理，由水力、风力、海(hai)潮、水坝水压差、太阳能(neng)等可(ke)再生(sheng)能(neng)源(yuan)，及烧煤炭、油(you)渣(zha)等产生(sheng)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)力来源(yuan)。常见(jian)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)是(shi)干电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)（直流电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)）与家(jia)用的(de)(de)110V-220V 交流电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)。

电源的性能指标

优质的电(dian)源(yuan)(yuan)一(yi)般具有FCC、美国(guo)UL和中国(guo)长城等多国(guo)认(ren)(ren)(ren)证(zheng)标(biao)志。这些(xie)认(ren)(ren)(ren)证(zheng)是认(ren)(ren)(ren)证(zheng)机构(gou)根(gen)据行业内技术规(gui)范对电(dian)源(yuan)(yuan)制定(ding)的专业标(biao)准，包(bao)括生产(chan)流程(cheng)、电(dian)磁干扰、安(an)全保护等，凡是符合一(yi)定(ding)指标(biao)的产(chan)品在(zai)申报认(ren)(ren)(ren)证(zheng)通过后，才能在(zai)包(bao)装和产(chan)品表(biao)面使用(yong)认(ren)(ren)(ren)证(zheng)标(biao)志，具有一(yi)定(ding)的权(quan)威性。

建议初选电源MOS管的基本步骤

1 电压应力

在电(dian)源(yuan)(yuan)电(dian)路应用中(zhong)，往(wang)往(wang)首(shou)先(xian)考虑(lv)漏(lou)(lou)源(yuan)(yuan)电(dian)压 VDS 的(de)选择(ze)。在此上的(de)基(ji)本原则为(wei) MOSFET 实际工(gong)作环境中(zhong)的(de)最大峰值漏(lou)(lou)源(yuan)(yuan)极(ji)间的(de)电(dian)压不大于器(qi)件规格(ge)书中(zhong)标称漏(lou)(lou)源(yuan)(yuan)击穿(chuan)电(dian)压的(de) 90% 。即：

VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS

注：一般地， V(BR)DSS 具(ju)有正温(wen)度系数。故应取设备最低工作(zuo)温(wen)度条件下之 V(BR)DSS值作(zuo)为参(can)考。

2 漏极电流

其次考虑(lv)漏(lou)(lou)极电流的选(xuan)择。基本原则为(wei) MOSFET 实际工作环境中(zhong)(zhong)的最大(da)周期漏(lou)(lou)极电流不(bu)大(da)于规(gui)格书中(zhong)(zhong)标称(cheng)最大(da)漏(lou)(lou)源电流的 90% ；漏(lou)(lou)极脉(mai)冲电流峰(feng)值不(bu)大(da)于规(gui)格书中(zhong)(zhong)标称(cheng)漏(lou)(lou)极脉(mai)冲电流峰(feng)值的 90% 即：

ID_max ≤ 90% * ID

ID_pulse ≤ 90% * IDP

注：一(yi)般(ban)地， ID_max 及(ji) ID_pulse 具(ju)有负温度系数(shu)，故(gu)应取器件在(zai)最(zui)大(da)结温条(tiao)(tiao)件下之 ID_max 及(ji) ID_pulse 值作为(wei)参考。器件此(ci)参数(shu)的选(xuan)择(ze)是(shi)极为(wei)不确定的—主要(yao)是(shi)受工作环境(jing)，散(san)热技(ji)术(shu)，器件其它(ta)参数(shu)（如(ru)导通(tong)电阻，热阻等）等相互制约(yue)影响(xiang)所致。最(zui)终(zhong)的判定依(yi)据是(shi)结点温度（即如(ru)下第六条(tiao)(tiao)之“耗散(san)功率约(yue)束(shu)”）。根据经验，在(zai)实际(ji)应用中规格(ge)书目中之 ID 会(hui)比实际(ji)最(zui)大(da)工作电流(liu)大(da)数(shu)倍(bei)，这(zhei)是(shi)因为(wei)散(san)耗功率及(ji)温升之限制约(yue)束(shu)。在(zai)初(chu)选(xuan)计(ji)算时期还须根据下面(mian)第六条(tiao)(tiao)的散(san)耗功率约(yue)束(shu)不断调整(zheng)此(ci)参数(shu)。建议初(chu)选(xuan)于 3~5 倍(bei)左(zuo)右 

ID = (3~5)*ID_max。

3 驱动要求

MOSFEF 的(de)驱动要求(qiu)由其(qi)栅(zha)极总充电(dian)电(dian)量（ Qg ）参数决(jue)定。在(zai)满足(zu)其(qi)它参数要求(qiu)的(de)情况下，尽量选择(ze) Qg 小者以(yi)便驱动电(dian)路的(de)设计。驱动电(dian)压(ya)选择(ze)在(zai)保(bao)证远离最大(da)栅(zha)源电(dian)压(ya)（ VGSS ）前(qian)提下使 Ron 尽量小的(de)电(dian)压(ya)值(zhi)（一(yi)般(ban)使用(yong)器件(jian)规格(ge)书中的(de)建议(yi)值(zhi)）

4 损耗及散热

小(xiao)(xiao)的 Ron 值有利(li)于减小(xiao)(xiao)导通期(qi)间损耗，小(xiao)(xiao)的 Rth 值可减小(xiao)(xiao)温(wen)度差（同样耗散功率条(tiao)件下），故有利(li)于散热。

5 损耗功率初算

MOSFET 损(sun)耗计算主要(yao)包(bao)含如下 8 个部分(fen)：

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

详(xiang)细计(ji)算公式应(ying)根(gen)据(ju)具体电路及(ji)工作条件而定。例如在同步整流的应(ying)用场合，还要考虑(lv)体内二极管正向(xiang)导通期间的损耗和转(zhuan)向(xiang)截止时的反向(xiang)恢复损耗。损耗计(ji)算可参考下文的“MOS管损耗的8个(ge)组成(cheng)部分”部分。

6 耗散功率约束

器(qi)件稳态损耗功率 PD,max 应(ying)以器(qi)件最(zui)(zui)大工作(zuo)结温度限制作(zuo)为考(kao)量依据。如能(neng)够预先(xian)知道(dao)器(qi)件工作(zuo)环(huan)境温度，则可以按如下方法估算出最(zui)(zui)大的(de)耗散功率：

PD,max ≤ （ Tj,max - Tamb ） / Rθj-a

其(qi)(qi)中 Rθj-a 是器(qi)件(jian)结点到其(qi)(qi)工(gong)作环境之间(jian)的总热阻(zu) , 包括 Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance 等。如其(qi)(qi)间(jian)还有绝缘材料还须(xu)将其(qi)(qi)热阻(zu)考(kao)虑进去。

MOS管损耗的8个组成部分

在器(qi)件设计(ji)选择过(guo)程中需要(yao)对 MOSFET 的(de)(de)工作(zuo)过(guo)程损耗(hao)进行先(xian)期(qi)计(ji)算（所谓先(xian)期(qi)计(ji)算是指在没能够测(ce)试(shi)各(ge)工作(zuo)波(bo)形的(de)(de)情况下，利用器(qi)件规格(ge)书提供的(de)(de)参数及工作(zuo)电路的(de)(de)计(ji)算值和预计(ji)波(bo)形，套用公式进行理(li)论上的(de)(de)近似计(ji)算）。

MOS管(guan)的工(gong)作(zuo)损耗(hao)基(ji)本可分为(wei)如下几(ji)部分：

1 导通损耗Pon

导通(tong)损耗,指在 MOSFET 完全开启后负载电(dian)流(liu)（即漏源电(dian)流(liu)） IDS(on)(t) 在导通(tong)电(dian)阻 RDS(on) 上产生(sheng)之压降造(zao)成的损耗。

导(dao)通损耗(hao)计(ji)算

先通过计算(suan)得(de)到(dao) IDS(on)(t) 函数表达式并算(suan)出其有效值 IDS(on)rms ，再通过如下电阻(zu)损耗计算(suan)式计算(suan)：

Pon=IDS(on)rms2 × RDS(on) × K × Don

说(shuo)明

计算 IDS(on)rms 时(shi)使用的(de)(de)(de)时(shi)期仅是导(dao)通时(shi)间 Ton ，而不是整个工作周期 Ts ； RDS(on)会(hui)随 IDS(on)(t) 值和器件(jian)结点温度不同而有(you)所(suo)不同，此时(shi)的(de)(de)(de)原则是根据(ju)规格书(shu)查找尽量靠近(jin)预(yu)计工作条件(jian)下(xia)的(de)(de)(de) RDS(on) 值（即乘以(yi)规格书(shu)提(ti)供的(de)(de)(de)一个温度系(xi)数 K ）。

2 截止损耗Poff

截止(zhi)损耗，指在 MOSFET 完全截止(zhi)后在漏源(yuan)电压 VDS(off) 应(ying)力(li)下产(chan)生的(de)漏电流 IDSS 造成的(de)损耗。

截止(zhi)损耗计(ji)算

先通过计算得(de)到 MOSFET 截止时所承受的漏(lou)源(yuan)电(dian)压(ya) VDS(off) ，在(zai)查找(zhao)器件(jian)规(gui)格书(shu)提供(gong)之 IDSS ，再通过如下公式计算：

Poff=VDS(off) × IDSS ×（ 1-Don ）

说(shuo)明

IDSS 会依 VDS(off) 变化而变化，而规格书(shu)提供的此值是在一近似 V(BR)DSS 条件下的参数(shu)。如(ru)计(ji)算得到的漏源(yuan)电压 VDS(off) 很大以至接近 V(BR)DSS 则可(ke)直接引用此值，如(ru)很小(xiao)，则可(ke)取零值，即忽略(lve)此项。

3 开启过程损耗

开(kai)启过程(cheng)损耗，指在 MOSFET 开(kai)启过程(cheng)中逐渐下(xia)降的漏(lou)源电(dian)压 VDS(off_on)(t) 与(yu)逐渐上(shang)升的负(fu)载电(dian)流(liu)（即漏(lou)源电(dian)流(liu)） IDS(off_on)(t) 交叉重叠部(bu)分造成的损耗。

开启过程损耗计算

开启过程 VDS(off_on)(t) 与(yu) IDS(off_on)(t) 交叉波形如(ru)上图所(suo)示。首(shou)先须(xu)计算或预计得(de)到开启时(shi)刻前之(zhi) VDS(off_end) 、开启完成后(hou)的 IDS(on_beginning) 即图示之(zhi) Ip1 ，以及(ji) VDS(off_on)(t) 与(yu) IDS(off_on)(t) 重叠时(shi)间 Tx 。然(ran)后(hou)再通过如(ru)下公(gong)式计算：

Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(off_on)(t) × ID(off_on)(t) × dt

实(shi)际计算(suan)(suan)中主要有两种假设(she)(she) — 图 (A) 那(nei)种假设(she)(she)认为(wei) VDS(off_on)(t) 的开始(shi)下降(jiang)与 ID(off_on)(t) 的逐渐(jian)上升同时(shi)发生；图 (B) 那(nei)种假设(she)(she)认为(wei) VDS(off_on)(t) 的下降(jiang)是从 ID(off_on)(t) 上升到最大值后才开始(shi)。图 (C) 是 FLYBACK 架构路中一 MOSFET 实(shi)际测试到的波形(xing)，其更接近于 (A) 类(lei)假设(she)(she)。针对这两种假设(she)(she)延伸出两种计算(suan)(suan)公式(shi)：

(A) 类假设 Poff_on=1/6 × VDS(off_end) × Ip1 × tr × fs

(B) 类假(jia)设(she) Poff_on=1/2 × VDS(off_end) × Ip1 × (td(on)+tr) × fs

(B) 类假设可作(zuo)为最恶(e)劣模(mo)式(shi)的(de)计算值(zhi)。

说明：

图 (C) 的(de)(de)(de)实际(ji)测试到(dao)(dao)波形可(ke)以看到(dao)(dao)开启完成后的(de)(de)(de) IDS(on_beginning)>>Ip1 （电(dian)(dian)源(yuan)使用中(zhong) Ip1 参数往往是(shi)(shi)激磁电(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)(de) 初(chu)始值(zhi)）。叠加的(de)(de)(de)电(dian)(dian)流(liu)(liu)波峰确切数值(zhi)我们难以预计(ji)得到(dao)(dao)，其 跟电(dian)(dian)路架构和器(qi)件参数有关。例如 FLYBACK 中(zhong) 实际(ji)电(dian)(dian)流(liu)(liu)应 是(shi)(shi) Itotal=Idp1+Ia+Ib (Ia 为次级端整流(liu)(liu)二极(ji)管的(de)(de)(de)反向恢 复电(dian)(dian)流(liu)(liu)感(gan)应回初(chu)极(ji)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)流(liu)(liu)值(zhi) -- 即乘以匝(za)比(bi)， Ib 为变(bian)压器(qi) 初(chu)级侧绕组层间寄生电(dian)(dian)容(rong)在(zai) MOSFET 开关开通瞬间释放(fang)的(de)(de)(de) 电(dian)(dian)流(liu)(liu) ) 。这个难以预计(ji)的(de)(de)(de)数值(zhi)也是(shi)(shi)造成此(ci)部分计(ji)算误(wu)差的(de)(de)(de) 主要原(yuan)因之一。

4 关断过程损耗

关断过程损耗。指在 MOSFET 关断过程中 逐渐上升的漏源电压(ya) VDS(on_off) (t) 与逐渐 下降的漏源电流(liu) IDS(on_off)(t) 的交叉重 叠部分(fen)造成的损耗。

关断过程(cheng)损(sun)耗(hao)计算

如上(shang)图(tu)所(suo)示，此部分(fen)损耗(hao)计(ji)(ji)算原理及方法跟 Poff_on 类似(si)。 首先须计(ji)(ji)算或预(yu)计(ji)(ji)得到关断(duan)完成(cheng)后之(zhi)漏源电压 VDS(off_beginning) 、关断(duan)时(shi)刻前的(de)负载电流 IDS(on_end) 即图(tu)示之(zhi) Ip2 以(yi)及 VDS(on_off) (t) 与 IDS(on_off)(t) 重(zhong)叠时(shi)间 Tx 。然后再通过(guo) 如下公式(shi)计(ji)(ji)算：

Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(on_off) (t) × IDS(on_off)(t) × dt

实际计算中，针对这(zhei)两种假设延伸出(chu)两个(ge)计算公式：

(A) 类假设(she) Poff_on=1/6 × VDS(off_beginning) × Ip2 × tf × fs

(B) 类假设 Poff_on=1/2 × VDS(off_beginning) × Ip2 × (td(off)+tf) × fs

(B) 类假设可作为最(zui)恶劣(lie)模式的(de)计算(suan)值。

说(shuo)明：

IDS(on_end) =Ip2 ，电源使用中这一(yi)参数(shu)往(wang)(wang)往(wang)(wang)是激磁电流(liu) 的(de)末端值(zhi)。因(yin)漏(lou)感等因(yin)素， MOSFET 在关断完(wan)成后之 VDS(off_beginning) 往(wang)(wang)往(wang)(wang)都有(you)一(yi)个很大(da)的(de)电压尖峰 Vspike 叠加其 上(shang)，此(ci)值(zhi)可大(da)致按经验估算。

5 驱动损耗Pgs

驱动(dong)损(sun)(sun)耗，指栅极(ji)接受驱动(dong)电源(yuan)进行驱动(dong)造成之损(sun)(sun)耗

驱动损耗的计(ji)算

确定驱动电源电压 Vgs 后，可(ke)通过(guo)如下公式进行计算：

Pgs= Vgs × Qg × fs

说明

Qg 为总驱动电量，可通(tong)过器件规格书查找得到。

6 Coss电容的泄放损耗Pds

Coss电(dian)容(rong)的(de)泄放损耗,指(zhi)MOS输出电(dian)容(rong) Coss 截止期(qi)(qi)间(jian)储蓄的(de)电(dian)场能于导同期(qi)(qi)间(jian)在漏源极上的(de)泄放损耗。

Coss电容的泄(xie)放损耗计算(suan)

首先须计算或预计得到(dao)开启(qi)时刻前之 VDS ，再通过如下公(gong)式(shi)进行计算：

Pds=1/2 × VDS(off_end)2 × Coss × fs

说明

Coss 为(wei) MOSFET 输(shu)出电容，一般可等于 Cds ，此值可通过器(qi)件(jian)规格(ge)书查找得到(dao)。

7 体内寄生二极管正向导通损耗Pd_f

体(ti)内寄(ji)生二(er)极管(guan)正向导通损耗,指MOS体(ti)内寄(ji)生二(er)极管(guan)在(zai)承载(zai)正向电(dian)流时因正向压降造成(cheng)的损耗。

体内寄生二极管正向导(dao)通损耗计算

在一些利用体内寄生二极(ji)管进(jin)行载流的应用中（例如(ru)同(tong)步整流），需要对此(ci)部分之(zhi)损(sun)耗进(jin)行计(ji)算。公式如(ru)下：

Pd_f = IF × VDF × tx × fs

其(qi)中： IF 为二(er)极(ji)管承载(zai)的(de)电流量， VDF 为二(er)极(ji)管正向(xiang)导通压降， tx 为一周期内二(er)极(ji)管承载(zai)电流的(de)时间。

说明

会(hui)因器(qi)件(jian)结温及(ji)承载的电流大小不同而不同。可根(gen)据实际应用环(huan)境在(zai)其规格书上查找到尽量接近之数值。

8 体内寄生二极管反向恢复损耗Pd_recover

体内寄生(sheng)二极管(guan)反向(xiang)恢复(fu)损耗，指MOS体内寄生(sheng)二极管(guan)在承(cheng)载正向(xiang)电流后(hou)因反向(xiang)压致使(shi)的反向(xiang)恢复(fu)造(zao)成的损耗。

体内寄生二极管反向恢复(fu)损耗(hao)计算

这一损耗(hao)原(yuan)理及计(ji)算方法与普通二(er)极管的反向(xiang)恢复(fu)损耗(hao)一样。公(gong)式如下(xia)：

Pd_recover=VDR × Qrr × fs

其中(zhong)： VDR 为(wei)二极管反(fan)向压(ya)降(jiang)， Qrr 为(wei)二极管反(fan)向恢复电量(liang)，由器件提供(gong)之规格书中(zhong)查找而得。

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