开关电(dian)源mos管选型

MOS管最常见的(de)(de)(de)应(ying)用可能是(shi)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)中的(de)(de)(de)开关元件，此(ci)外(wai)，它(ta)们(men)(men)对电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)输(shu)(shu)出(chu)也大有(you)裨(bi)益。服务器(qi)和通信设备等应(ying)用一般都配置(zhi)有(you)多(duo)个并行电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)，以支持N+1 冗余与(yu)持续(xu)工作 (图1)。各并行电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)平均分(fen)担(dan)负(fu)载，确保系统即使在一个电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)出(chu)现故障(zhang)的(de)(de)(de)情况下仍(reng)然(ran)能够继续(xu)工作。不过(guo)，这(zhei)种(zhong)架构还需要一种(zhong)方法把并行电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)输(shu)(shu)出(chu)连接在一起，并保证某个电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)故障(zhang)不会影响到(dao)其(qi)它(ta)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)。在每个电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)输(shu)(shu)出(chu)端，有(you)一个功(gong)率MOS管可以让众电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)分(fen)担(dan)负(fu)载，同时各电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)又(you)彼此(ci)隔离 。起这(zhei)种(zhong)作用的(de)(de)(de)MOS管被称为"ORing"FET，因为它(ta)们(men)(men)本质上是(shi)以 "OR" 逻辑来连接多(duo)个电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)输(shu)(shu)出(chu)。

一、开关电(dian)源上(shang)的MOS管选(xuan)择方法(fa)

图1：用于(yu)针对(dui)N+1冗余拓扑(pu)的(de)并行电源控制(zhi)的(de)MOS管

在ORing FET应(ying)用中，MOS管的(de)作用是开关(guan)(guan)器件，但(dan)是由(you)于(yu)(yu)服务器类应(ying)用中电(dian)源不间断(duan)工作，这(zhei)个开关(guan)(guan)实际上始终处于(yu)(yu)导通(tong)状态(tai)。其(qi)开关(guan)(guan)功能只发挥在启动和关(guan)(guan)断(duan)，以及电(dian)源出现故障之(zhi)时 。

相比从事以(yi)开关为核心(xin)应(ying)用(yong)的设(she)计(ji)(ji)人员(yuan)，ORing FET应(ying)用(yong)设(she)计(ji)(ji)人员(yuan)显然必需关注MOS管(guan)的不同特性。以(yi)服务器为例，在(zai)正常工作(zuo)期间，MOS管(guan)只相当于一个导(dao)体。因此，ORing FET应(ying)用(yong)设(she)计(ji)(ji)人员(yuan)最关心(xin)的是最小传导(dao)损耗。

二、低RDS(ON) 可把(ba)BOM及PCB尺(chi)寸(cun)降至最小

一(yi)般而言，MOS管制造商采用(yong)RDS(ON) 参数来定(ding)义(yi)导通阻抗;对(dui)ORing FET应用(yong)来说，RDS(ON) 也是最(zui)重要的(de)器件特(te)性(xing)。数据手册定(ding)义(yi)RDS(ON) 与栅极 (或驱动) 电(dian)压(ya) VGS 以及(ji)流经开(kai)关的(de)电(dian)流有关，但对(dui)于充分(fen)的(de)栅极驱动，RDS(ON) 是一(yi)个相(xiang)对(dui)静(jing)态参数。

若(ruo)设(she)计(ji)人(ren)员试(shi)图开发尺寸最(zui)小、成本最(zui)低(di)的电(dian)源(yuan)，低(di)导通阻抗更是加倍的重(zhong)要(yao)。在电(dian)源(yuan)设(she)计(ji)中，每个电(dian)源(yuan)常常需要(yao)多个ORing MOS管(guan)并(bing)行工作(zuo)，需要(yao)多个器件来把(ba)电(dian)流传送给负载。在许(xu)多情(qing)况(kuang)下(xia)，设(she)计(ji)人(ren)员必(bi)须并(bing)联MOS管(guan)，以有(you)效降低(di)RDS(ON)。

需谨记(ji)，在 DC 电(dian)(dian)路中，并(bing)(bing)联(lian)电(dian)(dian)阻(zu)性负(fu)(fu)载的(de)等(deng)效阻(zu)抗小(xiao)于(yu)(yu)每个(ge)负(fu)(fu)载单独的(de)阻(zu)抗值(zhi)。比(bi)如，两个(ge)并(bing)(bing)联(lian)的(de)2Ω 电(dian)(dian)阻(zu)相当于(yu)(yu)一(yi)个(ge)1Ω的(de)电(dian)(dian)阻(zu) 。因(yin)此，一(yi)般(ban)来说，一(yi)个(ge)低RDS(ON) 值(zhi)的(de)MOS管(guan)(guan)，具(ju)备大额(e)定电(dian)(dian)流(liu)，就可(ke)以(yi)让设计(ji)人员把电(dian)(dian)源中所用MOS管(guan)(guan)的(de)数(shu)目(mu)减(jian)至最少。

除(chu)了(le)RDS(ON)之外(wai)，在(zai)(zai)MOS管的(de)选(xuan)择(ze)过程(cheng)中还有几(ji)个MOS管参数(shu)也对(dui)电(dian)(dian)源(yuan)设(she)计(ji)人(ren)员(yuan)非常重要。许(xu)多情况下，设(she)计(ji)人(ren)员(yuan)应(ying)该密切关(guan)(guan)注数(shu)据手册上的(de)安(an)全(quan)工作(zuo)区(SOA)曲(qu)线，该曲(qu)线同时描述了(le)漏(lou)极电(dian)(dian)流(liu)和漏(lou)源(yuan)电(dian)(dian)压的(de)关(guan)(guan)系。基(ji)本上，SOA定义了(le)MOSFET能够(gou)安(an)全(quan)工作(zuo)的(de)电(dian)(dian)源(yuan)电(dian)(dian)压和电(dian)(dian)流(liu)。在(zai)(zai)ORing FET应(ying)用中，首要问(wen)题是：在(zai)(zai)"完全(quan)导(dao)通状态(tai)"下FET的(de)电(dian)(dian)流(liu)传送能力。实际上无需SOA曲(qu)线也可(ke)以(yi)获得漏(lou)极电(dian)(dian)流(liu)值。

若设(she)计是实现(xian)热插拔功(gong)能(neng)，SOA曲线也许(xu)更能(neng)发挥作用。在这种(zhong)情况下(xia)，MOS管(guan)需要(yao)部分导通工作。SOA曲线定义了不同脉冲期间的电流(liu)和(he)电压限值。

注(zhu)意刚刚提到(dao)的额定电(dian)流，这(zhei)也是值得考(kao)虑的(de)(de)(de)(de)(de)热(re)参数(shu)(shu)，因(yin)为始终导(dao)通的(de)(de)(de)(de)(de)MOS管(guan)很容易发热(re)。另外，日渐升高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)结(jie)温(wen)也会导(dao)致RDS(ON)的(de)(de)(de)(de)(de)增加。MOS管(guan)数(shu)(shu)据(ju)手(shou)册规(gui)定了(le)热(re)阻抗参数(shu)(shu)，其(qi)定义(yi)为MOS管(guan)封(feng)装(zhuang)(zhuang)的(de)(de)(de)(de)(de)半(ban)导(dao)体结(jie)散热(re)能力(li)。RθJC的(de)(de)(de)(de)(de)最简单的(de)(de)(de)(de)(de)定义(yi)是结(jie)到管(guan)壳的(de)(de)(de)(de)(de)热(re)阻抗。细(xi)言之，在(zai)实(shi)际测量中其(qi)代表从器件结(jie)(对于一个(ge)垂直MOS管(guan)，即(ji)裸(luo)片的(de)(de)(de)(de)(de)上表面附近)到封(feng)装(zhuang)(zhuang)外表面的(de)(de)(de)(de)(de)热(re)阻抗，在(zai)数(shu)(shu)据(ju)手(shou)册中有描述。若采(cai)用(yong)PowerQFN封(feng)装(zhuang)(zhuang)，管(guan)壳定义(yi)为这(zhei)个(ge)大漏极片的(de)(de)(de)(de)(de)中心。因(yin)此，RθJC 定义(yi)了(le)裸(luo)片与封(feng)装(zhuang)(zhuang)系统的(de)(de)(de)(de)(de)热(re)效应。RθJA 定义(yi)了(le)从裸(luo)片表面到周围环(huan)境的(de)(de)(de)(de)(de)热(re)阻抗，而且一般通过一个(ge)脚(jiao)注来标明与PCB设计(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)关系，包括镀铜的(de)(de)(de)(de)(de)层数(shu)(shu)和厚度。

三、开(kai)关电源中的MOS管

现(xian)在让我们考虑(lv)开关(guan)(guan)电(dian)源应用(yong)(yong)(yong)，以及这种应用(yong)(yong)(yong)如何需要从(cong)一个(ge)不同的角度来(lai)审视数据手(shou)册。从(cong)定义上而言，这种应用(yong)(yong)(yong)需要MOS管定期导通和(he)关(guan)(guan)断。同时，有数十种拓扑可(ke)用(yong)(yong)(yong)于开关(guan)(guan)电(dian)源，这里考虑(lv)一个(ge)简单的例子。DC-DC电(dian)源中常(chang)用(yong)(yong)(yong)的基本降压转(zhuan)换器(qi)依(yi)赖两(liang)个(ge)MOS管来(lai)执(zhi)行开关(guan)(guan)功(gong)能(neng)(图2)，这些开关(guan)(guan)交(jiao)替在电(dian)感里存(cun)储(chu)能(neng)量，然后(hou)把能(neng)量释放给负载。目前(qian)，设(she)计人(ren)员常(chang)常(chang)选择数百kHz乃(nai)至1 MHz以上的频率(lv)，因(yin)为(wei)频率(lv)越高，磁性元件可(ke)以更小更轻。

四(si)、开关电源上的MOS管选择方法

图2：用(yong)于开关电源应用(yong)的MOS管对。(DC-DC控制器)

显(xian)然，电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)设计相当复杂，而且也(ye)没有一(yi)个简(jian)单的(de)公式(shi)可用(yong)于MOS管的(de)评(ping)估(gu)。但我们不妨(fang)考虑(lv)一(yi)些关(guan)键的(de)参数，以及这些参数为什么至关(guan)重要(yao)。传统上(shang)，许(xu)多电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)设计人员(yuan)都采用(yong)一(yi)个综合(he)品质因(yin)数(栅(zha)极电(dian)(dian)荷QG ×导通阻抗RDS(ON))来评(ping)估(gu)MOS管或对之进行等级划分(fen)。

栅极电荷(he)和导通阻(zu)抗之所(suo)以(yi)重要，是因(yin)为(wei)二者都对电源的效率有直接的影(ying)响(xiang)。对效率有影(ying)响(xiang)的损(sun)耗主要分为(wei)两种形式--传导损(sun)耗和开关损(sun)耗。

栅(zha)(zha)极电荷(he)是(shi)产生开关损(sun)耗的主(zhu)要(yao)原因。栅(zha)(zha)极电荷(he)单(dan)位为(wei)纳库(ku)仑(nc)，是(shi)MOS管栅(zha)(zha)极充电放电所需(xu)的能量(liang)。栅(zha)(zha)极电荷(he)和(he)(he)导通阻(zu)抗(kang)RDS(ON) 在半导体设计和(he)(he)制(zhi)造工艺中(zhong)相互(hu)关联，一般来说，器件的栅(zha)(zha)极电荷(he)值较低，其导通阻(zu)抗(kang)参数就稍高。开关电源中(zhong)第二重要(yao)的MOS管参数包括(kuo)输出(chu)电容、阈(yu)值电压、栅(zha)(zha)极阻(zu)抗(kang)和(he)(he)雪崩能量(liang)。

某(mou)些特殊的拓扑(pu)也会改变不同MOS管参(can)数的相关(guan)品(pin)质，例如，可(ke)以(yi)把(ba)传统的同步(bu)降压(ya)转换(huan)(huan)器与(yu)谐振(zhen)转换(huan)(huan)器做(zuo)比较。谐振(zhen)转换(huan)(huan)器只在VDS (漏源电压(ya))或ID (漏极电流)过零时才(cai)进(jin)行MOS管开(kai)(kai)关(guan)，从而可(ke)把(ba)开(kai)(kai)关(guan)损耗(hao)降至最(zui)(zui)低。这些技术被成为软(ruan)开(kai)(kai)关(guan)或零电压(ya)开(kai)(kai)关(guan)(ZVS)或零电流开(kai)(kai)关(guan)(ZCS)技术。由(you)于开(kai)(kai)关(guan)损耗(hao)被最(zui)(zui)小化，RDS(ON) 在这类拓扑(pu)中(zhong)显(xian)得(de)更加重要(yao)。

低输出电(dian)(dian)容(COSS)值对(dui)这两(liang)类转(zhuan)换器都大有好处。谐(xie)振转(zhuan)换器中的谐(xie)振电(dian)(dian)路主要由变(bian)压器的漏电(dian)(dian)感(gan)与COSS决定。此外，在(zai)两(liang)个MOS管关断的死区时(shi)间内，谐(xie)振电(dian)(dian)路必须让(rang)COSS完(wan)全放电(dian)(dian)。

低(di)输出电(dian)容(rong)(rong)也有利于传统的降(jiang)压转(zhuan)换器(qi)(有时又(you)称(cheng)为硬开关转(zhuan)换器(qi))，不(bu)过原(yuan)因(yin)不(bu)同。因(yin)为每个硬开关周期存储在(zai)(zai)输出电(dian)容(rong)(rong)中(zhong)的能(neng)量会(hui)丢失，反(fan)之(zhi)在(zai)(zai)谐振转(zhuan)换器(qi)中(zhong)能(neng)量反(fan)复循(xun)环。因(yin)此，低(di)输出电(dian)容(rong)(rong)对于同步降(jiang)压调节器(qi)的低(di)边开关尤其(qi)重要。

五、mos管初选基本步骤

1 电压应(ying)力

在电(dian)源(yuan)电(dian)路应用中(zhong)(zhong)，往(wang)往(wang)首先(xian)考(kao)虑(lv)漏源(yuan)电(dian)压(ya)VDS的选择。在此上的基本原则为MOSFET实(shi)际工作环境中(zhong)(zhong)的最大峰值漏源(yuan)极间的电(dian)压(ya)不大于器件规格书中(zhong)(zhong)标称漏源(yuan)击穿电(dian)压(ya)的 90% 。

即：

VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS

注：一般地， V(BR)DSS 具有正温度系数。故应取设(she)备最低工(gong)作温度条(tiao)件下之(zhi) V(BR)DSS 值(zhi)作为(wei)参考。

2 漏极(ji)电(dian)流

其次考虑漏极(ji)电流(liu)的选(xuan)择。基本原(yuan)则为MOSFET实际工作环境中的最大周(zhou)期漏极(ji)电流(liu)不大于规(gui)格书中标称(cheng)最大漏源电流(liu)的90%；漏极(ji)脉(mai)冲(chong)电流(liu)峰值不大于规(gui)格书中标称(cheng)漏极(ji)脉(mai)冲(chong)电流(liu)峰值的 90% 。

即：

ID_max ≤ 90% * ID

ID_pulse ≤ 90% * IDP

注：一般(ban)地，ID_max及ID_pulse具有负温(wen)度(du)系数(shu)(shu)(shu)，故应取器件(jian)在最(zui)大结温(wen)条件(jian)下(xia)之(zhi)ID_max及ID_pulse值作为参(can)考。器件(jian)此参(can)数(shu)(shu)(shu)的选择是(shi)(shi)极为不确定的—主(zhu)要是(shi)(shi)受工(gong)作环境，散(san)热(re)技(ji)术，器件(jian)其(qi)它(ta)参(can)数(shu)(shu)(shu)（如(ru)导通电(dian)阻，热(re)阻等）等相(xiang)互制(zhi)约影响所致。最(zui)终的判定依据(ju)是(shi)(shi)结点(dian)温(wen)度(du)（即如(ru)下(xia)第六条之(zhi)“耗散(san)功(gong)率(lv)约束(shu)”）。根(gen)(gen)据(ju)经(jing)验，在实际应用中规格书目中之(zhi)ID会比实际最(zui)大工(gong)作电(dian)流大数(shu)(shu)(shu)倍(bei)，这(zhei)是(shi)(shi)因为散(san)耗功(gong)率(lv)及温(wen)升之(zhi)限制(zhi)约束(shu)。在初选计算时(shi)期还(hai)须根(gen)(gen)据(ju)下(xia)面第六条的散(san)耗功(gong)率(lv)约束(shu)不断调整(zheng)此参(can)数(shu)(shu)(shu)。建(jian)议初选于 3~5 倍(bei)左右 ID = (3~5)*ID_max 。

3 驱动(dong)要(yao)求

MOSFEF的(de)驱动要(yao)求(qiu)由其栅极总充电(dian)电(dian)量（Qg）参数(shu)决(jue)定。在(zai)满足其它参数(shu)要(yao)求(qiu)的(de)情况下，尽量选(xuan)择(ze)Qg小者以便驱动电(dian)路的(de)设计。驱动电(dian)压(ya)选(xuan)择(ze)在(zai)保证(zheng)远离最大栅源(yuan)电(dian)压(ya)（ VGSS ）前提下使 Ron 尽量小的(de)电(dian)压(ya)值(zhi)（一般使用器件规格书中的(de)建议值(zhi)）

4 损耗及散热

小的 Ron 值有利于减(jian)小导通期(qi)间损耗，小的 Rth 值可减(jian)小温(wen)度(du)差（同样耗散功率条件下），故有利于散热。

5 损耗(hao)功(gong)率初算

MOSFET 损耗计算主(zhu)要包含如下 8 个部分(fen)：

即：

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

详细(xi)计算(suan)公式应(ying)根据具(ju)体电路及工作条件而定。例如在(zai)同步(bu)整(zheng)流(liu)的(de)应(ying)用(yong)场合，还要考虑体内二极管(guan)(guan)正向(xiang)导通期间的(de)损(sun)耗(hao)和(he)转向(xiang)截止时的(de)反向(xiang)恢复损(sun)耗(hao)。损(sun)耗(hao)计算(suan)可(ke)参考下文的(de)“MOS管(guan)(guan)损(sun)耗(hao)的(de)8个组(zu)成部(bu)分(fen)”部(bu)分(fen)。

6 耗散功率(lv)约束

器(qi)件稳态损耗功(gong)率(lv)(lv) PD,max 应以器(qi)件最大(da)工作(zuo)结温度限(xian)制作(zuo)为考量依据(ju)。如(ru)能够(gou)预先知道(dao)器(qi)件工作(zuo)环境温度，则可(ke)以按如(ru)下方(fang)法估算出最大(da)的耗散(san)功(gong)率(lv)(lv)：

即：

PD,max ≤ （ Tj,max - Tamb ） / Rθj-a

其(qi)(qi)中Rθj-a是(shi)器(qi)件结(jie)点到其(qi)(qi)工作环境(jing)之间的总热阻包括Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance等。如其(qi)(qi)间还(hai)有绝(jue)缘材料还(hai)须将(jiang)其(qi)(qi)热阻考(kao)虑进去。

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