揭秘高效电源如何选择合适的MOS管及方法详解

开关电源上的MOS管选择方法
（一）开关电源上的MOS管选择方法

在ORing FET应用(yong)(yong)中(zhong)，MOS管的作(zuo)用(yong)(yong)是开关器件，但是由于服务器类应用(yong)(yong)中(zhong)电源(yuan)不间(jian)断工(gong)作(zuo)，这个开关实际上始终处(chu)于导通状(zhuang)态。其(qi)开关功能(neng)只发挥在启动和(he)关断，以(yi)及(ji)电源(yuan)出现故(gu)障之时(shi) 。

相比从(cong)事以开关(guan)为(wei)核心应用(yong)的(de)设计人员(yuan)，ORing FET应用(yong)设计人员(yuan)显(xian)然必(bi)需关(guan)注(zhu)MOS管(guan)的(de)不同特性(xing)。以服务器(qi)为(wei)例，在正常工作期间，MOS管(guan)只相当于一个导(dao)体。因(yin)此，ORing FET应用(yong)设计人员(yuan)最关(guan)心的(de)是最小传导(dao)损耗。

（二）开关电源上的MOS管选择方法

显然(ran)，电(dian)源设计(ji)相(xiang)当复杂，而且也(ye)没(mei)有一个(ge)简单的公式可用于(yu)MOS管的评估。但我(wo)们不(bu)妨考(kao)虑一些(xie)关键的参数，以及这些(xie)参数为什(shen)么至(zhi)关重要。传(chuan)统上，许多电(dian)源设计(ji)人员都(dou)采用一个(ge)综合品质(zhi)因(yin)数(栅极电(dian)荷QG ×导(dao)通阻抗RDS(ON))来评估MOS管或对之进行等级划分。

栅极电荷和导通阻抗(kang)之(zhi)所以重要，是因(yin)为二者都对电源的(de)效(xiao)(xiao)率有直接的(de)影(ying)响。对效(xiao)(xiao)率有影(ying)响的(de)损(sun)耗(hao)主要分为两种(zhong)形式(shi)--传导损(sun)耗(hao)和开关损(sun)耗(hao)。

栅(zha)极(ji)电荷(he)(he)是产生(sheng)开(kai)关(guan)损耗的(de)(de)主要原因。栅(zha)极(ji)电荷(he)(he)单位为纳(na)库仑(lun)(nc)，是MOS管(guan)栅(zha)极(ji)充电放电所需(xu)的(de)(de)能量。栅(zha)极(ji)电荷(he)(he)和导通(tong)阻(zu)(zu)抗(kang)(kang)RDS(ON) 在半导体设计和制造工艺中相互关(guan)联，一般来说，器件的(de)(de)栅(zha)极(ji)电荷(he)(he)值较低，其导通(tong)阻(zu)(zu)抗(kang)(kang)参(can)数就(jiu)稍高(gao)。开(kai)关(guan)电源中第二重要的(de)(de)MOS管(guan)参(can)数包括输出电容(rong)、阈(yu)值电压(ya)、栅(zha)极(ji)阻(zu)(zu)抗(kang)(kang)和雪(xue)崩能量。

某些特殊的拓扑也会改变不同(tong)MOS管(guan)参数的相关(guan)(guan)品质，例如，可以把(ba)传(chuan)统的同(tong)步降(jiang)(jiang)压转(zhuan)换器(qi)与谐振转(zhuan)换器(qi)做比较。谐振转(zhuan)换器(qi)只在(zai)VDS (漏(lou)源电压)或ID (漏(lou)极电流(liu))过零(ling)时才进行(xing)MOS管(guan)开(kai)(kai)关(guan)(guan)，从而可把(ba)开(kai)(kai)关(guan)(guan)损耗降(jiang)(jiang)至最(zui)低。这些技术被成为软开(kai)(kai)关(guan)(guan)或零(ling)电压开(kai)(kai)关(guan)(guan)(ZVS)或零(ling)电流(liu)开(kai)(kai)关(guan)(guan)(ZCS)技术。由于开(kai)(kai)关(guan)(guan)损耗被最(zui)小化，RDS(ON) 在(zai)这类拓扑中显得更加重要。

低(di)输出电(dian)容(COSS)值对这两类(lei)转换(huan)器(qi)(qi)都(dou)大有好处。谐振转换(huan)器(qi)(qi)中的谐振电(dian)路主要由变(bian)压器(qi)(qi)的漏电(dian)感与COSS决定。此(ci)外，在两个(ge)MOS管关断的死区时间(jian)内，谐振电(dian)路必(bi)须(xu)让COSS完全放电(dian)。

低(di)输出(chu)电容也有利(li)于(yu)传统的(de)降压转换器(有时又称为硬(ying)开关(guan)转换器)，不(bu)(bu)过(guo)原因不(bu)(bu)同。因为每个(ge)硬(ying)开关(guan)周期存(cun)储(chu)在输出(chu)电容中的(de)能(neng)量会(hui)丢失，反之在谐振转换器中能(neng)量反复循环。因此，低(di)输出(chu)电容对于(yu)同步(bu)降压调(diao)节(jie)器的(de)低(di)边(bian)开关(guan)尤其(qi)重(zhong)要。

MOS管初选基本步骤
1 电压应力

在电源电路应用(yong)中，往往首先(xian)考虑漏(lou)(lou)(lou)源电压(ya)(ya)VDS的选择(ze)。在此上的基(ji)本原则为MOSFET实际工作环境(jing)中的最大峰(feng)值漏(lou)(lou)(lou)源极间(jian)的电压(ya)(ya)不大于器件规格(ge)书(shu)中标称漏(lou)(lou)(lou)源击(ji)穿(chuan)电压(ya)(ya)的 90% 。

即：

VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS

注：一(yi)般(ban)地， V(BR)DSS 具有(you)正温度(du)系数。故应取设(she)备最(zui)低(di)工作温度(du)条(tiao)件(jian)下之 V(BR)DSS 值作为参考。

2 漏极电流

其次考虑(lv)漏极(ji)电流的选择。基(ji)本原则为MOSFET实际(ji)工(gong)作环(huan)境中(zhong)的最大(da)周期(qi)漏极(ji)电流不大(da)于规格(ge)书中(zhong)标称(cheng)最大(da)漏源电流的90%；漏极(ji)脉冲电流峰值不大(da)于规格(ge)书中(zhong)标称(cheng)漏极(ji)脉冲电流峰值的 90% 。

即：

ID_max ≤ 90% * ID

ID_pulse ≤ 90% * IDP

注：一般地，ID_max及(ji)(ji)ID_pulse具有负温度(du)系数，故应取器件在(zai)(zai)最(zui)大结(jie)(jie)温条件下(xia)之(zhi)ID_max及(ji)(ji)ID_pulse值(zhi)作(zuo)为参考。器件此参数的选(xuan)择是(shi)极为不确定(ding)的—主要是(shi)受工作(zuo)环(huan)境，散(san)(san)(san)热(re)(re)技术，器件其(qi)它参数（如(ru)导通(tong)电阻(zu)，热(re)(re)阻(zu)等(deng)）等(deng)相互制约(yue)影(ying)响(xiang)所致。最(zui)终的判定(ding)依(yi)据(ju)是(shi)结(jie)(jie)点(dian)温度(du)（即如(ru)下(xia)第六条之(zhi)“耗(hao)散(san)(san)(san)功率(lv)约(yue)束”）。根据(ju)经验，在(zai)(zai)实(shi)际应用中规格书(shu)目中之(zhi)ID会比实(shi)际最(zui)大工作(zuo)电流大数倍(bei)，这(zhei)是(shi)因(yin)为散(san)(san)(san)耗(hao)功率(lv)及(ji)(ji)温升之(zhi)限制约(yue)束。在(zai)(zai)初选(xuan)计算时(shi)期还须根据(ju)下(xia)面第六条的散(san)(san)(san)耗(hao)功率(lv)约(yue)束不断调整此参数。建议(yi)初选(xuan)于 3~5 倍(bei)左右(you) ID = (3~5)*ID_max 。

3 驱动要求

MOSFEF的(de)驱(qu)动要(yao)求由其栅极总充电(dian)(dian)电(dian)(dian)量(liang)（Qg）参(can)数(shu)决定。在满足其它参(can)数(shu)要(yao)求的(de)情况下，尽量(liang)选择Qg小者以便驱(qu)动电(dian)(dian)路的(de)设计。驱(qu)动电(dian)(dian)压(ya)选择在保证远离最(zui)大栅源(yuan)电(dian)(dian)压(ya)（ VGSS ）前提下使 Ron 尽量(liang)小的(de)电(dian)(dian)压(ya)值(zhi)（一(yi)般使用器件规格书中的(de)建(jian)议值(zhi)）

4 损耗及散热

小的(de) Ron 值有利(li)于(yu)减(jian)小导通期间损(sun)耗，小的(de) Rth 值可减(jian)小温度差（同样(yang)耗散功率条(tiao)件下），故有利(li)于(yu)散热(re)。

5 损耗功率初算

MOSFET 损耗(hao)计(ji)算主要包(bao)含(han)如下 8 个(ge)部(bu)分(fen)：

即：

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

详细计(ji)算(suan)(suan)公式应根据具体电路及工(gong)作(zuo)条件而定。例(li)如在同步(bu)整流(liu)的(de)应用场合，还要考虑体内(nei)二极管正向(xiang)导通期间的(de)损(sun)(sun)耗(hao)(hao)和转向(xiang)截止(zhi)时(shi)的(de)反向(xiang)恢复损(sun)(sun)耗(hao)(hao)。损(sun)(sun)耗(hao)(hao)计(ji)算(suan)(suan)可参考下文的(de)“MOS管损(sun)(sun)耗(hao)(hao)的(de)8个组成(cheng)部分”部分。

6 耗散功率约束

器件稳态损耗(hao)(hao)功率(lv)(lv) PD,max 应(ying)以器件最大(da)工作(zuo)结温(wen)度(du)限制作(zuo)为考量(liang)依据(ju)。如能够预先知道器件工作(zuo)环境温(wen)度(du)，则可以按如下方法估算出(chu)最大(da)的耗(hao)(hao)散功率(lv)(lv)：

即：

PD,max ≤（ Tj,max - Tamb ）/ Rθj-a

其中Rθj-a是器(qi)件结点到其工作环境之间的总热阻包括Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance等。如其间还有绝(jue)缘材料还须(xu)将其热阻考虑进去。

揭秘高效电源如何选择合适的MOS管

在(zai)当今(jin)的(de)开(kai)关电源设备中，MOS管(guan)的(de)特性、寄生参数和散热条(tiao)件都(dou)会(hui)对MOS管(guan)的(de)工(gong)(gong)作(zuo)性能产(chan)生重(zhong)大影(ying)响。因此深(shen)入了解功率MOS管(guan)的(de)工(gong)(gong)作(zuo)原理和关键参数对电源设计工(gong)(gong)程师至(zhi)关重(zhong)要(yao)。

目前，影响开关电(dian)源电(dian)源效率最大的两(liang)个(ge)损(sun)耗因素是：导通损(sun)耗和开关损(sun)耗，以下分别对这两(liang)种损(sun)耗做具体(ti)分析。

1、导通损耗

导通损耗具体来讲是由MOS管的(de)导通阻抗(kang)(kang)Rds产生的(de)，Rds与(yu)栅(zha)极(ji)驱动(dong)电压Vgs和流(liu)经MOS管的(de)电流(liu)有关。如果想要(yao)设计出效率更高(gao)、体积更小的(de)电源，必(bi)须充分降(jiang)低(di)导通阻抗(kang)(kang)。如图1所示是导通阻抗(kang)(kang)Rds、Vgs和Id的(de)曲(qu)线图：

2、开关损耗

栅极(ji)电(dian)荷Qg是(shi)产(chan)生(sheng)开(kai)关损(sun)耗(hao)的主(zhu)要(yao)原因(yin)。栅极(ji)电(dian)荷是(shi)MOS管门极(ji)充放电(dian)所需的能量，相同电(dian)流、电(dian)压规格的MOSFET，具有比较大的栅极(ji)电(dian)荷意味着(zhe)在(zai)(zai)MOS开(kai)关过程(cheng)中会(hui)损(sun)耗(hao)更多(duo)的能量。所以，为了(le)尽可(ke)能降低MOS管的开(kai)关损(sun)耗(hao)，工程(cheng)师在(zai)(zai)电(dian)源(yuan)设计过程(cheng)中需要(yao)选择同等规格下Qg更低的MOS管作为主(zhu)功率开(kai)关管。如图2所示是(shi)栅极(ji)电(dian)荷Qg与Vgs的曲线图：

3、MOS管选型

针对开关电源的(de)应用，美国中央半导体(ti)（Central Semi）推出(chu)了一系列低Rds和Qg的(de)功(gong)率MOSFET。代(dai)表型(xing)号为CDM2205-800FP，该(gai)MOS管具有以下(xia)性能优势：

? 最大耐压为800V

? 最大连续电流(liu)5A

? 导通阻(zu)抗低至2.2Ω

? 栅极电荷Qg仅为17.4nC

如图3所(suo)示是CDM2205-800FP在(zai)(zai)反激开关(guan)电(dian)(dian)(dian)源中(zhong)(zhong)的(de)(de)应(ying)用。在(zai)(zai)电(dian)(dian)(dian)源设计器(qi)件选型中(zhong)(zhong)，首(shou)先根据电(dian)(dian)(dian)源的(de)(de)输入电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)，确定(ding)(ding)器(qi)件所(suo)能(neng)承(cheng)受的(de)(de)最(zui)(zui)大电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)，额(e)定(ding)(ding)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)越大，器(qi)件的(de)(de)成本就(jiu)越高(gao)。然后需要确定(ding)(ding) MOS管(guan)的(de)(de)额(e)定(ding)(ding)电(dian)(dian)(dian)流，该额(e)定(ding)(ding)电(dian)(dian)(dian)流应(ying)该是负(fu)载在(zai)(zai)所(suo)有情(qing)况下能(neng)够承(cheng)受的(de)(de)最(zui)(zui)大电(dian)(dian)(dian)流。确保所(suo)选择的(de)(de)MOS管(guan)能(neng)够承(cheng)受连(lian)续电(dian)(dian)(dian)流和脉冲尖峰。

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