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开关电源中的MOS管

今天我们在来一同学习下开关电源上面要怎样选择MOS管吧，看下开关电源上面选用MOS管应留意那些东西，哪些参数是MOS管在开关电源中起着决议性作用的，请往下看。
如今让(rang)我们思索(suo)(suo)开关电(dian)源应(ying)用(yong)，以及这(zhei)(zhei)(zhei)种应(ying)用(yong)如何(he)需求(qiu)从(cong)一个(ge)不同的角度来审(shen)视数(shu)据手册。从(cong)定(ding)义上(shang)而言，这(zhei)(zhei)(zhei)种应(ying)用(yong)需求(qiu)MOS管定(ding)期(qi)导(dao)通(tong)和关断(duan)。同时，有(you)数(shu)十种拓(tuo)扑可用(yong)于开关电(dian)源，这(zhei)(zhei)(zhei)里思索(suo)(suo)一个(ge)简单的例子。DC-DC电(dian)源中常用(yong)的根本(ben)降压(ya)转换(huan)器依(yi)赖(lai)两个(ge)MOS管来执行开关功用(yong)(图(tu)2)，这(zhei)(zhei)(zhei)些开关交替在电(dian)感里存(cun)储能(neng)量，然(ran)后把(ba)能(neng)量释(shi)放给(ji)负载。目前(qian)，设(she)计(ji)人员常常选(xuan)择(ze)数(shu)百kHz乃至1 MHz以上(shang)的频率(lv)，由于频率(lv)越高，磁性(xing)元件能(neng)够更(geng)小更(geng)轻。

开关(guan)电源上的(de)(de)MOS管(guan)(guan)选择办法(fa)图2：用(yong)(yong)于(yu)开关(guan)电源应用(yong)(yong)的(de)(de)MOS管(guan)(guan)对(dui)。(DC-DC控制器)显然，电源设计相当复杂，而且也没有一个简(jian)单(dan)的(de)(de)公式可用(yong)(yong)于(yu)MOS管(guan)(guan)的(de)(de)评(ping)(ping)价。但我们无妨(fang)思索一些关(guan)键的(de)(de)参数，以(yi)及这些参数为什么至关(guan)重要。传统上，许多电源设计人员都采(cai)用(yong)(yong)一个综合质(zhi)量(liang)因数(栅极(ji)电荷QG ×导通阻抗RDS(ON))来(lai)评(ping)(ping)价MOS管(guan)(guan)或对(dui)之停止等级划分。

栅极(ji)电荷(he)和导(dao)通阻(zu)抗之(zhi)所以重(zhong)要(yao)，是由于(yu)二者都对电源的(de)效(xiao)率有直接(jie)的(de)影(ying)响。对效(xiao)率有影(ying)响的(de)损(sun)耗(hao)主要(yao)分(fen)为(wei)两种方式--传导(dao)损(sun)耗(hao)和开关(guan)损(sun)耗(hao)。

栅(zha)(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷是(shi)产(chan)生开(kai)关(guan)(guan)损(sun)耗的主要缘由。栅(zha)(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷单位为纳(na)库仑(nc)，是(shi)MOS管(guan)栅(zha)(zha)极(ji)充(chong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)放电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)所需的能(neng)量。栅(zha)(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷和(he)导(dao)通阻抗RDS(ON) 在半导(dao)体设计和(he)制造工艺中(zhong)互相关(guan)(guan)联(lian)，普(pu)通来(lai)说，器件(jian)的栅(zha)(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷值(zhi)较低，其(qi)导(dao)通阻抗参数就稍高。开(kai)关(guan)(guan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源中(zhong)第二重要的MOS管(guan)参数包括输(shu)出电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容、阈(yu)值(zhi)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压、栅(zha)(zha)极(ji)阻抗和(he)雪崩能(neng)量。

某些(xie)特殊(shu)的(de)(de)拓扑也会改动不同MOS管参数(shu)的(de)(de)相关(guan)(guan)(guan)质量(liang)，例如(ru)，能够把(ba)(ba)传统的(de)(de)同步降压转(zhuan)换器(qi)与谐振(zhen)转(zhuan)换器(qi)做比拟。谐振(zhen)转(zhuan)换器(qi)只(zhi)在(zai)VDS (漏(lou)源电(dian)(dian)压)或ID (漏(lou)极电(dian)(dian)流)过(guo)零(ling)时才停止(zhi)MOS管开(kai)(kai)(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)，从而可(ke)把(ba)(ba)开(kai)(kai)(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)损(sun)耗降至(zhi)最(zui)低。这些(xie)技术(shu)被成为(wei)软开(kai)(kai)(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)或零(ling)电(dian)(dian)压开(kai)(kai)(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)(ZVS)或零(ling)电(dian)(dian)流开(kai)(kai)(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)(ZCS)技术(shu)。由(you)于开(kai)(kai)(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)损(sun)耗被最(zui)小化，RDS(ON) 在(zai)这类(lei)拓扑中(zhong)显得愈(yu)加重要(yao)。

低输出(chu)电容(rong)(COSS)值对(dui)这两类转换(huan)器都大有(you)益(yi)处。谐振(zhen)转换(huan)器中的谐振(zhen)电路主要由变(bian)压(ya)器的漏(lou)电感与COSS决(jue)议。

此(ci)外，在两个MOS管关(guan)(guan)断的死区时间内，谐(xie)振(zhen)电路必需让COSS完(wan)整放电。低(di)输出电容也有(you)利于传统(tong)的降压转换器(有(you)时又(you)称为硬(ying)开(kai)关(guan)(guan)转换器)，不(bu)过(guo)缘(yuan)由不(bu)同。由于每个硬(ying)开(kai)关(guan)(guan)周(zhou)期(qi)存储在输出电容中的能量(liang)会(hui)丧失，反(fan)之在谐(xie)振(zhen)转换器中能量(liang)重复循环。因而，低(di)输出电容关(guan)(guan)于同步降压调理器的低(di)边开(kai)关(guan)(guan)特别重要。

开关电源上的MOS管选择办法

MOS管最常见的应用可能是电源中的开关元件，此外，它们对电源输出也大有裨益。效劳器和通讯设备等应用普通都配置有多个并行电源，以支持N+1 冗余与持续工作 (图1)。各并行电源均匀分担负载，确保系统即便在一个电源呈现毛病的状况下依然可以继续工作。不过，这种架构还需求一种办法把并行电源的输出衔接在一同，并保证某个电源的毛病不会影响到其它的电源。在每个电源的输出端，有一个功率MOS管能够让众电源分担负载，同时各电源又彼此隔离 。起这种作用的MOS管被称为"ORing"FET，由于它们实质上是以 "OR" 逻辑来衔接多个电源的输出。

开(kai)关(guan)电源上(shang)的MOS管(guan)选择办法(fa)图1：用于(yu)(yu)针对N+1冗余拓(tuo)扑的并行电源控制的MOS管(guan)在(zai)ORing FET应用中，MOS管(guan)的作用是(shi)开(kai)关(guan)器(qi)件(jian)，但是(shi)由于(yu)(yu)效劳器(qi)类应用中电源不连续工作，这(zhei)个开(kai)关(guan)实(shi)践上(shang)一直处于(yu)(yu)导通状态。其开(kai)关(guan)功用只(zhi)发挥在(zai)启(qi)动和(he)关(guan)断(duan)，以(yi)及(ji)电源呈(cheng)现缺点之时 。

相比从事以开关(guan)为中(zhong)心(xin)应(ying)(ying)用的(de)(de)设(she)计人(ren)员，ORing FET应(ying)(ying)用设(she)计人(ren)员显然必需关(guan)注MOS管(guan)的(de)(de)不同特性。以效劳(lao)器为例，在正常工作期间(jian)，MOS管(guan)只(zhi)相当于一(yi)个导体(ti)。因而(er)，ORing FET应(ying)(ying)用设(she)计人(ren)员最关(guan)怀的(de)(de)是最小传导损耗。

低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺寸降至最小

普通(tong)而言(yan)，MOS管制造商(shang)采用(yong)RDS(ON) 参(can)(can)数(shu)来(lai)定(ding)(ding)义导通(tong)阻抗;对ORing FET应用(yong)来(lai)说(shuo)，RDS(ON) 也是最(zui)重要(yao)的(de)器件特性(xing)。数(shu)据(ju)手册定(ding)(ding)义RDS(ON) 与栅极(ji) (或(huo)驱(qu)动(dong)(dong)) 电压 VGS 以及流经开(kai)关的(de)电流有关，但(dan)关于充(chong)沛的(de)栅极(ji)驱(qu)动(dong)(dong)，RDS(ON) 是一(yi)个相对静(jing)态参(can)(can)数(shu)。

若设计(ji)(ji)人员试图开发尺寸最小、本钱(qian)最低(di)(di)的(de)电源，低(di)(di)导通阻抗更是加(jia)倍的(de)重要。在(zai)电源设计(ji)(ji)中，每个(ge)电源常常需求多个(ge)ORing MOS管并行工(gong)作，需求多个(ge)器件来把电传播送给(ji)负载。在(zai)许多状况(kuang)下，设计(ji)(ji)人员必需并联(lian)MOS管，以有效降低(di)(di)RDS(ON)。

需(xu)谨记(ji)，在 DC 电(dian)(dian)路中，并联电(dian)(dian)阻性负(fu)载(zai)(zai)的等效阻抗(kang)小于每个负(fu)载(zai)(zai)单独的阻抗(kang)值(zhi)(zhi)。比(bi)方(fang)，两个并联的2Ω 电(dian)(dian)阻相当于一(yi)个1Ω的电(dian)(dian)阻 。因而，普通来说(shuo)，一(yi)个低RDS(ON) 值(zhi)(zhi)的MOS管(guan)，具备大额定电(dian)(dian)流，就(jiu)能够(gou)让设计人员(yuan)把(ba)电(dian)(dian)源中所用MOS管(guan)的数目减至最(zui)少(shao)。

除了(le)RDS(ON)之外(wai)，在(zai)MOS管的(de)选择过程中(zhong)还有几个MOS管参数也(ye)对电源设(she)计人(ren)员十分(fen)重要(yao)。许多状(zhuang)(zhuang)况下，设(she)计人(ren)员应(ying)该(gai)亲密关(guan)注(zhu)数据手册上(shang)的(de)平安(an)工作区(SOA)曲线(xian)，该(gai)曲线(xian)同时(shi)描绘了(le)漏极(ji)电流和漏源电压的(de)关(guan)系(xi)。根本上(shang)，SOA定义了(le)MOSFET可以平安(an)工作的(de)电源电压和电流。在(zai)ORing FET应(ying)用中(zhong)，首(shou)要(yao)问题是：在(zai)"完整导通状(zhuang)(zhuang)态"下FET的(de)电传(chuan)播(bo)送才能(neng)。实践(jian)上(shang)无(wu)需(xu)SOA曲线(xian)也(ye)能(neng)够取(qu)得漏极(ji)电流值。

若设计(ji)是(shi)完成热插拔功用，SOA曲线或许更能发挥(hui)作用。在这种状况下(xia)，MOS管需求局部导通工作。SOA曲线定义了(le)不同脉冲期(qi)间的电流和电压限值。

留意刚刚提到(dao)的额(e)定(ding)(ding)电流(liu)，这也是值(zhi)得思(si)索(suo)的热(re)(re)参数，由于(yu)一(yi)直导(dao)通的MOS管(guan)(guan)很(hen)容易发(fa)热(re)(re)。另外(wai)，日渐升高的结(jie)温也会招致(zhi)RDS(ON)的增加。MOS管(guan)(guan)数据手册(ce)(ce)规(gui)则了(le)热(re)(re)阻(zu)抗参数，其(qi)定(ding)(ding)义(yi)为MOS管(guan)(guan)封(feng)装(zhuang)的半导(dao)体(ti)结(jie)散热(re)(re)才能。RθJC的最简单的定(ding)(ding)义(yi)是结(jie)到(dao)管(guan)(guan)壳的热(re)(re)阻(zu)抗。细言之(zhi)，在(zai)实(shi)践丈量中(zhong)其(qi)代(dai)表(biao)从器件结(jie)(关于(yu)一(yi)个(ge)垂(chui)直MOS管(guan)(guan)，即裸片的上外(wai)表(biao)左近)到(dao)封(feng)装(zhuang)表(biao)面面的热(re)(re)阻(zu)抗，在(zai)数据手册(ce)(ce)中(zhong)有描绘(hui)。若采用PowerQFN封(feng)装(zhuang)，管(guan)(guan)壳定(ding)(ding)义(yi)为这个(ge)大(da)漏(lou)极片的中(zhong)心(xin)。因(yin)而(er)，RθJC 定(ding)(ding)义(yi)了(le)裸片与(yu)封(feng)装(zhuang)系统的热(re)(re)效应。RθJA 定(ding)(ding)义(yi)了(le)从裸片外(wai)表(biao)到(dao)四周环境(jing)的热(re)(re)阻(zu)抗，而(er)且普通经过一(yi)个(ge)脚(jiao)注来标明与(yu)PCB设(she)计的关系，包括镀铜的层数和厚度。

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