电源,MOS管,开关电源

MOS管开关电源

MOS管最常见的应用可能是电源(yuan)(yuan)中的开(kai)关元(yuan)件，此外，它(ta)们对电源(yuan)(yuan)输(shu)出(chu)也大有裨益。服务器和通(tong)信设(she)备等应用一(yi)般都(dou)配置有多(duo)个并(bing)行电源(yuan)(yuan)，以支持N+1 冗余与持续(xu)工(gong)作(zuo) (图1)。各并(bing)行电源(yuan)(yuan)平均分担负载，确保系统即使(shi)在一(yi)个电源(yuan)(yuan)出(chu)现(xian)故障的情况(kuang)下仍(reng)然(ran)能够继续(xu)工(gong)作(zuo)。

不过(guo)，这种架构还(hai)需要一种方法(fa)把(ba)并行电(dian)源的(de)(de)(de)输(shu)出(chu)连(lian)接(jie)在(zai)一起(qi)，并保证某个(ge)电(dian)源的(de)(de)(de)故障不会影响到其它的(de)(de)(de)电(dian)源。在(zai)每个(ge)电(dian)源的(de)(de)(de)输(shu)出(chu)端，有(you)一个(ge)功率(lv)MOS管可以让众电(dian)源分(fen)担负载，同时各电(dian)源又彼此隔离(li) 。起(qi)这种作用的(de)(de)(de)MOS管被称为(wei)(wei)"ORing"FET，因为(wei)(wei)它们本质上是以 "OR" 逻辑来连(lian)接(jie)多个(ge)电(dian)源的(de)(de)(de)输(shu)出(chu)。

如何用MOS管控制使之达到电源缓启动的目的

在电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)信(xin)工业和微波电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)设计领域，普遍(bian)使(shi)用MOS管(guan)控(kong)制冲击电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流的方(fang)达(da)到电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流缓启动(dong)的目(mu)的。MOS管(guan)有(you)导通阻(zu)抗Rds_on低(di)和驱动(dong)简(jian)单(dan)(dan)的特点，在周(zhou)围加上少(shao)量元(yuan)器件就(jiu)可(ke)以构(gou)成缓慢启动(dong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)。虽然电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)比较(jiao)简(jian)单(dan)(dan)，但只有(you)吃透MOS管(guan)的相关开关特性后才能对这个电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)有(you)深入的理解。

MOSFET的开通过程

尽管MOSFET在(zai)开(kai)关(guan)电(dian)(dian)源(yuan)、电(dian)(dian)机控(kong)制等(deng)一些电(dian)(dian)子系统(tong)中(zhong)得到广(guang)泛的(de)应用，但是许(xu)多(duo)电(dian)(dian)子工(gong)程师(shi)并没有十分(fen)清楚的(de)理解MOSFET开(kai)关(guan)过程，以及MOSFET在(zai)开(kai)关(guan)过程中(zhong)所(suo)处的(de)状态一般来说(shuo)，电(dian)(dian)子工(gong)程师(shi)通常基于(yu)栅极电(dian)(dian)荷理解MOSFET的(de)开(kai)通的(de)过程，如(ru)图(tu)1所(suo)示此图(tu)在(zai)MOSFET数据(ju)表中(zhong)可以查(cha)到。

图1 AOT460栅极电荷(he)特性

MOSFET的D和S极加(jia)电(dian)压(ya)为VDD，当驱动开通(tong)脉(mai)冲加(jia)到MOSFET的G和S极时，输(shu)入电(dian)容(rong)Ciss充电(dian)，G和S极电(dian)压(ya)Vgs线性上升(sheng)并到达门槛电(dian)压(ya)VGS(th)，Vgs上升(sheng)到VGS(th)之前漏(lou)极电(dian)流Id≈0A，没有漏(lou)极电(dian)流流过，Vds的电(dian)压(ya)保持(chi)VDD不变。

当Vgs到达(da)VGS(th)时(shi)，漏(lou)极开始流过电(dian)(dian)流Id，然后Vgs继(ji)续(xu)上(shang)升，Id也逐(zhu)渐(jian)上(shang)升，Vds仍然保(bao)持VDD当Vgs到达(da)米勒平台电(dian)(dian)压VGS(pl)时(shi)，Id也上(shang)升到负载(zai)电(dian)(dian)流最(zui)大值ID，Vds的电(dian)(dian)压开始从VDD下降。米勒平台(tai)期间，Id电(dian)流维持ID，Vds电(dian)压不断降低。

米(mi)勒(le)平台结(jie)束时刻，Id电(dian)流(liu)仍然维持ID，Vds电(dian)压降(jiang)低到一个较(jiao)低的值米(mi)勒(le)平台结(jie)束后，Id电(dian)流(liu)仍然维持ID，Vds电(dian)压继续降(jiang)低，但此(ci)时降(jiang)低的斜率很小，因此(ci)降(jiang)低的幅(fu)度(du)也(ye)很小，最后稳(wen)定(ding)在(zai)Vds=Id×Rds(on)因此(ci)通常可以认(ren)为(wei)米(mi)勒(le)平台结(jie)束后MOSFET基(ji)本上已经导通。

对(dui)(dui)于上述的(de)过(guo)程，理(li)解(jie)难点在于为(wei)什么在米勒平台区，Vgs的(de)电(dian)(dian)(dian)压恒定？驱动电(dian)(dian)(dian)路(lu)仍(reng)(reng)然对(dui)(dui)栅极(ji)提供驱动电(dian)(dian)(dian)流(liu)，仍(reng)(reng)然对(dui)(dui)栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)容充电(dian)(dian)(dian)，为(wei)什么栅极(ji)的(de)电(dian)(dian)(dian)压不上升(sheng)？而且栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)荷特性(xing)对(dui)(dui)于形(xing)象的(de)理(li)解(jie)MOSFET的(de)开通(tong)过(guo)程并不直观因此，下面将基于漏(lou)极(ji)导通(tong)特性(xing)理(li)解(jie)MOSFET开通(tong)过(guo)程。

MOSFET的漏极导通特性与开关过程

MOSFET的(de)漏极(ji)导通特性如图2所示MOSFET与三极(ji)管一样(yang)，当MOSFET应用于放大(da)电(dian)(dian)(dian)路(lu)时(shi)，通常(chang)要使(shi)用此(ci)曲线(xian)研究其放大(da)特性只是三极(ji)管使(shi)用的(de)基极(ji)电(dian)(dian)(dian)流、集电(dian)(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)(dian)流和放大(da)倍数(shu)，而MOSFET使(shi)用栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)压、漏极(ji)电(dian)(dian)(dian)流和跨导。

图2 AOT460的漏(lou)极(ji)导通特性

三(san)极管有三(san)个(ge)工作(zuo)区(qu)(qu)：截止区(qu)(qu)、放大区(qu)(qu)和(he)(he)(he)饱(bao)和(he)(he)(he)区(qu)(qu)，MOSFET对应是关断(duan)区(qu)(qu)、恒(heng)流(liu)区(qu)(qu)和(he)(he)(he)可变电阻区(qu)(qu)注(zhu)意：MOSFET恒(heng)流(liu)区(qu)(qu)有时也(ye)称饱(bao)和(he)(he)(he)区(qu)(qu)或放大区(qu)(qu)当驱动开通(tong)(tong)脉冲加(jia)到MOSFET的(de)G和(he)(he)(he)S极时，Vgs的(de)电压逐渐升高时，MOSFET的(de)开通(tong)(tong)轨迹A-B-C-D如(ru)图(tu)3中(zhong)的(de)路线所示

图3 AOT460的(de)开通(tong)轨迹

开通前，MOSFET起始工作点位于图3的右下角A点，AOT460的VDD电压为48V，Vgs的电压逐渐升高，Id电(dian)流(liu)为(wei)0，Vgs的电(dian)压达到(dao)VGS(th)，Id电(dian)流(liu)从0开始逐渐增大A-B就是(shi)Vgs的电(dian)压从(cong)VGS(th)增(zeng)加到(dao)VGS(pl)的过(guo)程(cheng)从(cong)A到(dao)B点(dian)的过(guo)程(cheng)中，可以非常直观的发(fa)现(xian)，此过(guo)程(cheng)工作于MOSFET的恒流(liu)区，也就是(shi)Vgs电(dian)压和Id电(dian)流(liu)自动(dong)找平衡的过(guo)程(cheng)，即(ji)Vgs电(dian)压的变化伴(ban)随(sui)着Id电(dian)流(liu)相应的变化，其(qi)变化关系就是(shi)MOSFET的跨(kua)导：Gfs=Id/Vgs，跨(kua)导可以在MOSFET数据(ju)表中查到(dao)。

当Id电(dian)流(liu)(liu)达到负(fu)载的(de)最大允许电(dian)流(liu)(liu)ID时(shi)，此(ci)时(shi)对应(ying)的(de)栅级电(dian)压Vgs(pl)=Id/gFS由(you)于(yu)此(ci)时(shi)Id电(dian)流(liu)(liu)恒定(ding)(ding)，因此(ci)栅极Vgs电(dian)压也恒定(ding)(ding)不变，见图3中的(de)B-C，此(ci)时(shi)MOSFET处于(yu)相对稳定(ding)(ding)的(de)恒流(liu)(liu)区(qu)，工作于(yu)放大器的(de)状态开通前，Vgd的电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)为(wei)Vgs-Vds，为(wei)负(fu)压(ya)，进(jin)入米勒平台(tai)，Vgd的负(fu)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)绝(jue)对(dui)值不断下降(jiang)(jiang)，过0后转为(wei)正电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)驱动(dong)电(dian)(dian)(dian)(dian)路的电(dian)(dian)(dian)(dian)流绝(jue)大部(bu)分流过CGD，以扫(sao)除(chu)米勒电(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)的电(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)，因此栅极(ji)的电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)基本维持不变Vds电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)降(jiang)(jiang)低到(dao)很低的值后，米勒电(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)的电(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)基本上(shang)被扫(sao)除(chu)，即(ji)图(tu)3中的C点。

于是，栅极(ji)的电压在(zai)驱动电流的充电下又(you)开始升高，如(ru)图3中(zhong)的C-D，使MOSFET进一步完(wan)全导通C-D为可变电阻区，相应的Vgs电压对应着一定的Vds电压Vgs电压达到最大值，Vds电压达到最小值，由于Id电流为ID恒定，因此Vds的电压即为ID和MOSFET的导通电阻的乘(cheng)积基于MOSFET的(de)漏(lou)极(ji)导通特性曲线可(ke)(ke)以直(zhi)观(guan)的(de)理解MOSFET开通时，跨(kua)越关断区、恒(heng)流区和(he)可(ke)(ke)变电阻区的(de)过程米勒平台即(ji)为(wei)恒(heng)流区，MOSFET工作于放(fang)大(da)状态，Id电流为(wei)Vgs电压和(he)跨(kua)导乘积电路原理详细说明：MOS管是电压(ya)控制器件，其极间电容等(deng)效电路如图4所(suo)示。

图(tu)4. 带(dai)外接电容C2的N型MOS管极间电容等(deng)效电路

MOS管的极间电容栅漏(lou)电容Cgd、栅源电容Cgs、漏(lou)源电容Cds可以由以下公(gong)式确定：

R2由允许(xu)冲击电流决定：

其中Vmax为最(zui)大输入(ru)电(dian)压，Cload为C3和DC/DC电(dian)源模(mo)块(kuai)内部电(dian)容(rong)的(de)总和，Iinrush为允(yun)许冲击电(dian)流的(de)幅度。

图5 有源(yuan)冲击(ji)电流限制(zhi)法电路(lu)

D1是(shi)一个稳压二极(ji)管，用来限制MOS管 Q1的栅源电(dian)(dian)(dian)压。元器件R1，C1和D2用来保证MOS管Q1在刚(gang)上(shang)(shang)电(dian)(dian)(dian)时保持关断状态。具体(ti)情况是(shi)：上(shang)(shang)电(dian)(dian)(dian)后(hou)，MOS管的栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)压要慢慢上(shang)(shang)升，当(dang)栅源电(dian)(dian)(dian)压Vgs高到(dao)一定程(cheng)度后(hou)，二极(ji)管D2导通，这样(yang)所有的电(dian)(dian)(dian)荷(he)都给电(dian)(dian)(dian)容C1以时间常数(shu)R1×C1充电(dian)(dian)(dian)，栅源电(dian)(dian)(dian)压Vgs以相(xiang)同的速(su)度上(shang)(shang)升，直(zhi)到(dao)MOS管Q1导通产生冲击电(dian)(dian)(dian)流。以下是(shi)计(ji)算C1和R1的公式(shi)：

其中Vth为MOS管Q1的(de)(de)(de)最小(xiao)门槛电(dian)压(ya)，VD2为二(er)极管D2的(de)(de)(de)正向导通(tong)压(ya)降，Vplt为产(chan)生Iinrush冲击电(dian)流(liu)时(shi)的(de)(de)(de)栅源电(dian)压(ya)。Vplt可以(yi)在MOS管供(gong)应商所提(ti)供(gong)的(de)(de)(de)产(chan)品(pin)资料(liao)里(li)找到。MOS管选择(ze)以(yi)下参(can)数对于有源冲击电(dian)流(liu)限制电(dian)路的(de)(de)(de)MOS管选择(ze)非常重(zhong)要：l 漏极击穿(chuan)电(dian)压(ya) Vds 　　必须(xu)选择(ze)Vds比最大输入(ru)(ru)电(dian)压(ya)Vmax和最大输入(ru)(ru)瞬(shun)态电(dian)压(ya)还要高的(de)(de)(de)MOS管，对于通(tong)讯系(xi)统中用的(de)(de)(de)MOS管，一般选择(ze)Vds≥100V。

栅(zha)(zha)源电(dian)(dian)压(ya)Vgs稳压(ya)管(guan)(guan)D1是用来保护MOS管(guan)(guan)Q1的(de)栅(zha)(zha)极(ji)以防止(zhi)其过压(ya)击穿(chuan)，显(xian)然MOS管(guan)(guan)Q1的(de)栅(zha)(zha)源电(dian)(dian)压(ya)Vgs必(bi)须高于稳压(ya)管(guan)(guan)D1的(de)最大反(fan)向击穿(chuan)电(dian)(dian)压(ya)。一(yi)般MOS管(guan)(guan)的(de)栅(zha)(zha)源电(dian)(dian)压(ya)Vgs为20V，推荐(jian)12V的(de)稳压(ya)二极(ji)管(guan)(guan)。l 导(dao)通(tong)(tong)电(dian)(dian)阻Rds_on.MOS管(guan)(guan)必(bi)须能够耗(hao)散(san)导(dao)通(tong)(tong)电(dian)(dian)阻Rds_on所引起的(de)热(re)量，热(re)耗(hao)计算公式为：

其中Idc为DC/DC电(dian)源(yuan)的最大输入电(dian)流，Idc由以(yi)下(xia)公式确定：

其中Pout为(wei)(wei)DC/DC电源(yuan)的最大输(shu)出功率，Vmin为(wei)(wei)最小输(shu)入(ru)电压(ya)，η为(wei)(wei)DC/DC电源(yuan)在输(shu)入(ru)电压(ya)为(wei)(wei)Vmin输(shu)出功率为(wei)(wei)Pout时(shi)的效(xiao)率。η可以在DC/DC电源(yuan)供(gong)应商(shang)所提供(gong)的数据(ju)手册里查到(dao)。MOS管(guan)的Rds_on必须很小，它所引起(qi)的压(ya)降和(he)输(shu)入(ru)电压(ya)相比才可以忽略(lve)。

图6有源(yuan)冲击电(dian)流限制(zhi)电(dian)路在75V输入，DC/DC输出空载时(shi)的波形。

针对N+1冗余拓扑的并行电源控制的MOS管

在ORing FET应(ying)用(yong)中，MOS管的作用(yong)是开(kai)(kai)关(guan)(guan)器(qi)件，但是由于(yu)服务器(qi)类(lei)应(ying)用(yong)中电(dian)源不(bu)间断(duan)工作，这个开(kai)(kai)关(guan)(guan)实际上始(shi)终处于(yu)导通状态。其开(kai)(kai)关(guan)(guan)功能只发挥在启动和关(guan)(guan)断(duan)，以及电(dian)源出现故(gu)障之(zhi)时 。

相比从事以(yi)开(kai)关(guan)为(wei)核心应用(yong)的(de)(de)设(she)计(ji)(ji)人员(yuan)，ORing FET应用(yong)设(she)计(ji)(ji)人员(yuan)显然必需关(guan)注MOS管的(de)(de)不(bu)同特性。以(yi)服(fu)务(wu)器为(wei)例，在正常工作期(qi)间，MOS管只相当于一(yi)个导体。因此，ORing FET应用(yong)设(she)计(ji)(ji)人员(yuan)最(zui)关(guan)心的(de)(de)是最(zui)小传导损耗。

联系方(fang)式(shi)：邹先生

联系电话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系地址(zhi)：深圳市(shi)福田区车公庙天(tian)安数码城天(tian)吉大(da)厦CD座5C1

请搜微信公众号:“KIA半导(dao)体(ti)”或扫一扫下(xia)图“关注”官方微信公众号

请“关(guan)注”官方微(wei)信公众号:提供 MOS管 技术帮助(zhu)