MOS管开关电源知识-开关电源上的MOS管选择方法解析

开关(guan)(guan)电(dian)(dian)源(yuan)又称交换式(shi)电(dian)(dian)源(yuan)、开关(guan)(guan)变(bian)换器(qi)，是(shi)一(yi)种高频(pin)化电(dian)(dian)能(neng)(neng)转(zhuan)换装置，是(shi)电(dian)(dian)源(yuan)供应器(qi)的(de)一(yi)种。其(qi)功能(neng)(neng)是(shi)将一(yi)个位准的(de)电(dian)(dian)压(ya)，透过不同(tong)形式(shi)的(de)架构转(zhuan)换为(wei)用户端所需求的(de)电(dian)(dian)压(ya)或电(dian)(dian)流(liu)。开关(guan)(guan)电(dian)(dian)源(yuan)的(de)输入多(duo)半(ban)是(shi)交流(liu)电(dian)(dian)源(yuan)（例如(ru)市电(dian)(dian)）或是(shi)直流(liu)电(dian)(dian)源(yuan)，而输出多(duo)半(ban)是(shi)需要直流(liu)电(dian)(dian)源(yuan)的(de)设(she)备，例如(ru)个人电(dian)(dian)脑，而开关(guan)(guan)电(dian)(dian)源(yuan)就进行两者之间电(dian)(dian)压(ya)及(ji)电(dian)(dian)流(liu)的(de)转(zhuan)换。

MOS管最常见的(de)应(ying)用(yong)可能是电(dian)(dian)(dian)源(yuan)中的(de)开关元件，此外，它(ta)们对电(dian)(dian)(dian)源(yuan)输出(chu)也(ye)大有(you)裨(bi)益。服务器(qi)和通信设备(bei)等(deng)应(ying)用(yong)一(yi)般(ban)都配置(zhi)有(you)多(duo)个(ge)并(bing)行电(dian)(dian)(dian)源(yuan)，以支持N+1 冗余与持续(xu)(xu)工作 （图(tu)1）。各并(bing)行电(dian)(dian)(dian)源(yuan)平均分担(dan)负载，确(que)保(bao)系统即使在一(yi)个(ge)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)出(chu)现故障的(de)情况(kuang)下仍然(ran)能够继续(xu)(xu)工作。不过(guo)，这种(zhong)架构(gou)还(hai)需(xu)要一(yi)种(zhong)方(fang)法把并(bing)行电(dian)(dian)(dian)源(yuan)的(de)输出(chu)连接(jie)在一(yi)起，并(bing)保(bao)证某个(ge)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)的(de)故障不会影响到其它(ta)的(de)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)。在每个(ge)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)的(de)输出(chu)端(duan)，有(you)一(yi)个(ge)功(gong)率MOS管可以让众(zhong)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)分担(dan)负载，同时各电(dian)(dian)(dian)源(yuan)又(you)彼此隔(ge)离。起这种(zhong)作用(yong)的(de)MOS管被称(cheng)为(wei)“ORing”FET，因为(wei)它(ta)们本质上是以 “OR” 逻辑来连接(jie)多(duo)个(ge)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)的(de)输出(chu)。

图1：用(yong)于针对N+1冗余拓(tuo)扑的(de)并行电(dian)源控(kong)制(zhi)的(de)MOS管(guan) 在ORing FET应(ying)用(yong)中，MOS管(guan)的(de)作用(yong)是开(kai)关(guan)器(qi)件，但是由于服务器(qi)类应(ying)用(yong)中电(dian)源不间断(duan)工作，这个(ge)开(kai)关(guan)实际(ji)上始(shi)终处于导通(tong)状态。其开(kai)关(guan)功(gong)能只发挥(hui)在启动和关(guan)断(duan)，以及电(dian)源出(chu)现故障(zhang)之时。

相比从事以开关(guan)为核心应用的(de)(de)设计人员(yuan)(yuan)，ORing FET应用设计人员(yuan)(yuan)显(xian)然(ran)必需关(guan)注MOS管的(de)(de)不同特性。以服务器(qi)为例，在正常工作(zuo)期间，MOS管只相当(dang)于一个导(dao)体。因此，ORing FET应用设计人员(yuan)(yuan)最关(guan)心的(de)(de)是最小(xiao)传导(dao)损耗。

低RDS（ON） 可把BOM及PCB尺寸降至最(zui)小

一般而(er)言，MOS管制造商采用RDS（ON） 参数来定义(yi)导(dao)通阻抗(kang);对(dui)ORing FET应用来说，RDS（ON） 也是最重要(yao)的(de)(de)器(qi)件特性。数据手(shou)册定义(yi)RDS（ON） 与栅极 （或驱动） 电压 VGS 以及流经开关(guan)的(de)(de)电流有关(guan)，但对(dui)于充分的(de)(de)栅极驱动，RDS（ON） 是一个(ge)相对(dui)静态参数。

若设(she)计(ji)人员试图开发尺寸(cun)最小、成本(ben)最低(di)的电源(yuan)，低(di)导通阻抗更是加(jia)倍(bei)的重要(yao)。在电源(yuan)设(she)计(ji)中(zhong)，每个电源(yuan)常(chang)常(chang)需要(yao)多(duo)个ORing MOS管并行工作(zuo)，需要(yao)多(duo)个器件(jian)来把电流传送给(ji)负载(zai)。在许(xu)多(duo)情况(kuang)下，设(she)计(ji)人员必须并联MOS管，以有效降低(di)RDS（ON）。

需(xu)谨(jin)记，在 DC 电(dian)路中，并联(lian)(lian)电(dian)阻(zu)性(xing)负(fu)载的(de)(de)(de)等效阻(zu)抗小于每个(ge)负(fu)载单(dan)独的(de)(de)(de)阻(zu)抗值(zhi)。比如，两个(ge)并联(lian)(lian)的(de)(de)(de)2Ω 电(dian)阻(zu)相(xiang)当于一个(ge)1Ω的(de)(de)(de)电(dian)阻(zu)。因(yin)此，一般来说，一个(ge)低RDS（ON） 值(zhi)的(de)(de)(de)MOS管(guan)，具备大额(e)定电(dian)流，就(jiu)可(ke)以让设(she)计人员把电(dian)源中所用(yong)MOS管(guan)的(de)(de)(de)数(shu)目减(jian)至最少。

除(chu)了RDS（ON）之外(wai)，在(zai)MOS管的(de)(de)选择过程(cheng)中(zhong)还有几(ji)个MOS管参数也对电(dian)(dian)源(yuan)设计(ji)人(ren)员非常重要(yao)。许多情况下(xia)，设计(ji)人(ren)员应该(gai)密切关注(zhu)数据手册上(shang)(shang)的(de)(de)安全工(gong)作(zuo)(zuo)区（SOA）曲(qu)(qu)(qu)线，该(gai)曲(qu)(qu)(qu)线同时描述了漏(lou)极电(dian)(dian)流和漏(lou)源(yuan)电(dian)(dian)压(ya)的(de)(de)关系。基本上(shang)(shang)，SOA定(ding)义(yi)了MOSFET能够安全工(gong)作(zuo)(zuo)的(de)(de)电(dian)(dian)源(yuan)电(dian)(dian)压(ya)和电(dian)(dian)流。在(zai)ORing FET应用中(zhong)，首要(yao)问题是：在(zai)“完全导通状(zhuang)态”下(xia)FET的(de)(de)电(dian)(dian)流传送(song)能力(li)。实际(ji)上(shang)(shang)无需SOA曲(qu)(qu)(qu)线也可(ke)以获得(de)漏(lou)极电(dian)(dian)流值。

若设计是(shi)实现热(re)插拔功能，SOA曲线也(ye)许更能发挥作用。在这种(zhong)情况下，MOS管需要部分导通(tong)工作。SOA曲线定义(yi)了不同(tong)脉(mai)冲期间的电(dian)(dian)流和电(dian)(dian)压(ya)限(xian)值。

注(zhu)意刚(gang)刚(gang)提到(dao)的额定(ding)(ding)电流，这(zhei)也(ye)是值得考虑的热(re)(re)参数(shu)(shu)，因为(wei)始终(zhong)导通(tong)的MOS管(guan)很容(rong)易发热(re)(re)。另外，日渐升(sheng)高的结(jie)温也(ye)会导致RDS（ON）的增加。MOS管(guan)数(shu)(shu)据(ju)手册规定(ding)(ding)了(le)热(re)(re)阻抗参数(shu)(shu)，其定(ding)(ding)义(yi)为(wei)MOS管(guan)封(feng)(feng)装(zhuang)(zhuang)(zhuang)的半导体结(jie)散热(re)(re)能力。RθJC的最简单的定(ding)(ding)义(yi)是结(jie)到(dao)管(guan)壳(qiao)的热(re)(re)阻抗。细言之(zhi)，在实际测量中其代表(biao)从器件结(jie)（对(dui)于(yu)一(yi)(yi)个垂(chui)直MOS管(guan)，即裸片(pian)的上表(biao)面附近）到(dao)封(feng)(feng)装(zhuang)(zhuang)(zhuang)外表(biao)面的热(re)(re)阻抗，在数(shu)(shu)据(ju)手册中有描(miao)述。若(ruo)采用PowerQFN封(feng)(feng)装(zhuang)(zhuang)(zhuang)，管(guan)壳(qiao)定(ding)(ding)义(yi)为(wei)这(zhei)个大漏极(ji)片(pian)的中心。因此，RθJC 定(ding)(ding)义(yi)了(le)裸片(pian)与封(feng)(feng)装(zhuang)(zhuang)(zhuang)系统的热(re)(re)效应。RθJA 定(ding)(ding)义(yi)了(le)从裸片(pian)表(biao)面到(dao)周(zhou)围环境的热(re)(re)阻抗，而(er)且(qie)一(yi)(yi)般通(tong)过一(yi)(yi)个脚注(zhu)来标(biao)明与PCB设计(ji)的关系，包(bao)括镀铜的层数(shu)(shu)和(he)厚度。

开(kai)关电(dian)源(yuan)中的(de)MOS管(guan)　　现在让我们(men)考虑开(kai)关电(dian)源(yuan)应(ying)用，以(yi)(yi)及这种(zhong)应(ying)用如何需要(yao)从一(yi)个(ge)不同的(de)角度(du)来(lai)(lai)审(shen)视数(shu)据手(shou)册。从定(ding)义上而言，这种(zhong)应(ying)用需要(yao)MOS管(guan)定(ding)期(qi)导通和关断。同时，有数(shu)十种(zhong)拓扑可用于开(kai)关电(dian)源(yuan)，这里考虑一(yi)个(ge)简(jian)单(dan)的(de)例子。DC-DC电(dian)源(yuan)中常用的(de)基本降压(ya)转换器依赖两个(ge)MOS管(guan)来(lai)(lai)执行开(kai)关功能（图(tu)2），这些开(kai)关交替(ti)在电(dian)感(gan)里存储(chu)能量，然后(hou)把能量释放给(ji)负载。目前(qian)，设计(ji)人员常常选择数(shu)百kHz乃至1 MHz以(yi)(yi)上的(de)频率(lv)，因为频率(lv)越高，磁(ci)性元件(jian)可以(yi)(yi)更小更轻。

显然，电源设(she)计(ji)相当复(fu)杂，而且也没有(you)一(yi)个简单的(de)公式(shi)可用于MOS管(guan)的(de)评(ping)估。但我们(men)不妨考(kao)虑一(yi)些关键的(de)参数，以及这些参数为什么(me)至关重要。传统上(shang)，许多电源设(she)计(ji)人员都采用一(yi)个综合(he)品(pin)质因(yin)数（栅极电荷QG &TImes;导通阻抗RDS（ON））来评(ping)估MOS管(guan)或对(dui)之进(jin)行等级划分。

栅极电(dian)荷和导通阻抗之所以重要(yao)(yao)，是因为二者都对(dui)电(dian)源的效(xiao)率(lv)有直接的影响(xiang)。对(dui)效(xiao)率(lv)有影响(xiang)的损耗(hao)主要(yao)(yao)分为两种形式(shi)--传导损耗(hao)和开关(guan)损耗(hao)。

栅(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)荷(he)是产生(sheng)开(kai)关损耗(hao)的(de)(de)主(zhu)要原因。栅(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)荷(he)单位(wei)为纳库仑（nc），是MOS管栅(zha)极(ji)充(chong)电(dian)(dian)(dian)放电(dian)(dian)(dian)所需的(de)(de)能量(liang)。栅(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)荷(he)和导通阻(zu)抗RDS（ON） 在半导体(ti)设(she)计(ji)和制造工艺中相互关联(lian)，一般来说(shuo)，器件(jian)的(de)(de)栅(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)荷(he)值(zhi)较低，其导通阻(zu)抗参数(shu)就稍高。

开关电(dian)(dian)源中(zhong)第(di)二重要(yao)的MOS管参数包括输(shu)出电(dian)(dian)容、阈(yu)值电(dian)(dian)压、栅极(ji)阻抗和(he)雪崩能(neng)量。某些特(te)殊的(de)拓扑(pu)也会改变不同MOS管参数的(de)相关品(pin)质，例如，可(ke)以把传(chuan)统(tong)的(de)同步(bu)降压转(zhuan)(zhuan)换器与谐振转(zhuan)(zhuan)换器做比较。谐振转(zhuan)(zhuan)换器只在VDS （漏源(yuan)电(dian)压）或ID （漏极电(dian)流）过零(ling)时(shi)才进行MOS管开(kai)关，从而可(ke)把开(kai)关损耗降至最低。这些技术(shu)被(bei)成为软开(kai)关或零(ling)电(dian)压开(kai)关（ZVS）或零(ling)电(dian)流开(kai)关（ZCS）技术(shu)。由于开(kai)关损耗被(bei)最小化，RDS（ON） 在这类拓扑(pu)中显得(de)更加重要。

低输出(chu)电(dian)容（COSS）值对这(zhei)两类转换器都大(da)有好处(chu)。谐振转换器中(zhong)的(de)谐振电(dian)路主要(yao)由变压器的(de)漏电(dian)感(gan)与(yu)COSS决定。此外，在两个MOS管(guan)关断的(de)死区时间内(nei)，谐振电(dian)路必须让COSS完(wan)全放电(dian)。

低(di)输出电(dian)(dian)容也有利于传统的(de)降压转(zhuan)(zhuan)换(huan)器(qi)(qi)（有时又称为硬开(kai)关(guan)转(zhuan)(zhuan)换(huan)器(qi)(qi)），不过原因(yin)不同(tong)。因(yin)为每(mei)个(ge)硬开(kai)关(guan)周期存储在输出电(dian)(dian)容中(zhong)的(de)能量(liang)(liang)会丢(diu)失，反(fan)(fan)之在谐振转(zhuan)(zhuan)换(huan)器(qi)(qi)中(zhong)能量(liang)(liang)反(fan)(fan)复循环。因(yin)此，低(di)输出电(dian)(dian)容对于同(tong)步降压调节器(qi)(qi)的(de)低(di)边开(kai)关(guan)尤其重要。

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