开(kai)关电源mos管选型(xing)

MOS管(guan)最常见的(de)应(ying)用可(ke)能是(shi)电(dian)(dian)源(yuan)中的(de)开关元(yuan)件，此外，它们对电(dian)(dian)源(yuan)输出(chu)也大有裨益。服务器和(he)通信设备等应(ying)用一(yi)般都配置(zhi)有多(duo)个并(bing)行(xing)电(dian)(dian)源(yuan)，以(yi)支持(chi)N+1 冗余与持(chi)续工(gong)作 (图1)。各(ge)并(bing)行(xing)电(dian)(dian)源(yuan)平(ping)均分(fen)担(dan)负载(zai)，确(que)保(bao)系统即使在一(yi)个电(dian)(dian)源(yuan)出(chu)现故障(zhang)的(de)情况下仍然能够继续工(gong)作。不(bu)过，这种架构还需要一(yi)种方(fang)法把并(bing)行(xing)电(dian)(dian)源(yuan)的(de)输出(chu)连接(jie)(jie)在一(yi)起(qi)，并(bing)保(bao)证某个电(dian)(dian)源(yuan)的(de)故障(zhang)不(bu)会影响到其它的(de)电(dian)(dian)源(yuan)。在每(mei)个电(dian)(dian)源(yuan)的(de)输出(chu)端，有一(yi)个功率MOS管(guan)可(ke)以(yi)让众电(dian)(dian)源(yuan)分(fen)担(dan)负载(zai)，同时各(ge)电(dian)(dian)源(yuan)又彼此隔离 。起(qi)这种作用的(de)MOS管(guan)被(bei)称(cheng)为"ORing"FET，因为它们本质上是(shi)以(yi) "OR" 逻辑来连接(jie)(jie)多(duo)个电(dian)(dian)源(yuan)的(de)输出(chu)。

一、开关(guan)电(dian)源上的MOS管选(xuan)择方(fang)法

图1：用于针对N+1冗(rong)余拓扑的并行(xing)电源控制的MOS管

在(zai)ORing FET应用(yong)中，MOS管的作(zuo)用(yong)是开关(guan)器(qi)件(jian)，但(dan)是由于服务器(qi)类应用(yong)中电源(yuan)不间(jian)断工作(zuo)，这(zhei)个开关(guan)实际上始终处于导通(tong)状态(tai)。其开关(guan)功(gong)能只发挥在(zai)启动和关(guan)断，以及(ji)电源(yuan)出现(xian)故障之时 。

相比从事以开关为(wei)核心(xin)应用的(de)设计(ji)人(ren)员，ORing FET应用设计(ji)人(ren)员显然必需关注(zhu)MOS管的(de)不同特性(xing)。以服务器为(wei)例，在正常工作期间，MOS管只相当于一个导(dao)体。因此，ORing FET应用设计(ji)人(ren)员最(zui)关心(xin)的(de)是最(zui)小传导(dao)损(sun)耗。

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

一般而言，MOS管制(zhi)造商(shang)采用RDS(ON) 参数来定义导通阻抗;对ORing FET应用来说，RDS(ON) 也是(shi)最重要的(de)器件特性。数据(ju)手(shou)册定义RDS(ON) 与栅(zha)极 (或驱(qu)动) 电(dian)压 VGS 以及流经开关(guan)的(de)电(dian)流有(you)关(guan)，但对于充分的(de)栅(zha)极驱(qu)动，RDS(ON) 是(shi)一个相对静态(tai)参数。

若设计(ji)人(ren)员试图开发尺寸最小、成本最低(di)的电(dian)源，低(di)导通阻抗(kang)更是加倍的重要(yao)。在电(dian)源设计(ji)中，每个电(dian)源常常需要(yao)多(duo)个ORing MOS管并行工作，需要(yao)多(duo)个器件来(lai)把电(dian)流传(chuan)送给负载。在许多(duo)情况下，设计(ji)人(ren)员必须并联MOS管，以有效降(jiang)低(di)RDS(ON)。

需(xu)谨(jin)记(ji)，在 DC 电路中，并联电阻性负载(zai)的(de)(de)等效阻抗小于(yu)每个(ge)负载(zai)单独的(de)(de)阻抗值(zhi)。比如，两个(ge)并联的(de)(de)2Ω 电阻相(xiang)当于(yu)一个(ge)1Ω的(de)(de)电阻 。因此，一般来说(shuo)，一个(ge)低(di)RDS(ON) 值(zhi)的(de)(de)MOS管，具(ju)备大额定(ding)电流，就可以让设计人员把电源中所用MOS管的(de)(de)数目减至最少。

除了RDS(ON)之外，在(zai)MOS管的选择过程中还(hai)有几(ji)个MOS管参数(shu)也对(dui)电(dian)(dian)源设(she)计(ji)人员非常重要。许多情(qing)况下，设(she)计(ji)人员应(ying)该(gai)密(mi)切关注数(shu)据手册(ce)上的安全工(gong)作(zuo)区(SOA)曲线，该(gai)曲线同(tong)时(shi)描述了漏极电(dian)(dian)流(liu)和漏源电(dian)(dian)压的关系(xi)。基本上，SOA定义了MOSFET能够安全工(gong)作(zuo)的电(dian)(dian)源电(dian)(dian)压和电(dian)(dian)流(liu)。在(zai)ORing FET应(ying)用中，首要问(wen)题是：在(zai)"完全导通状态(tai)"下FET的电(dian)(dian)流(liu)传送能力。实际(ji)上无需SOA曲线也可以获(huo)得漏极电(dian)(dian)流(liu)值。

若设(she)计是(shi)实现(xian)热插拔功(gong)能(neng)，SOA曲线也(ye)许更能(neng)发挥作(zuo)用。在(zai)这种(zhong)情况下，MOS管需要部分导通(tong)工作(zuo)。SOA曲线定义了不同(tong)脉冲期间的(de)电(dian)流和电(dian)压限值。

注意刚(gang)刚(gang)提到的额定电(dian)流，这(zhei)也是值得考虑的(de)热(re)(re)(re)参数(shu)，因(yin)为(wei)始终导通(tong)的(de)MOS管(guan)很容易(yi)发热(re)(re)(re)。另外(wai)(wai)，日(ri)渐(jian)升高的(de)结温也会(hui)导致RDS(ON)的(de)增(zeng)加。MOS管(guan)数(shu)据手册规定了热(re)(re)(re)阻抗(kang)参数(shu)，其定义(yi)为(wei)MOS管(guan)封(feng)装(zhuang)的(de)半导体结散热(re)(re)(re)能力。RθJC的(de)最简单的(de)定义(yi)是结到(dao)管(guan)壳的(de)热(re)(re)(re)阻抗(kang)。细(xi)言之(zhi)，在实际测量中其代表(biao)从器件结(对于(yu)一(yi)个垂直(zhi)MOS管(guan)，即裸(luo)片的(de)上(shang)表(biao)面附(fu)近)到(dao)封(feng)装(zhuang)外(wai)(wai)表(biao)面的(de)热(re)(re)(re)阻抗(kang)，在数(shu)据手册中有描述。若采用PowerQFN封(feng)装(zhuang)，管(guan)壳定义(yi)为(wei)这(zhei)个大漏极片的(de)中心。因(yin)此(ci)，RθJC 定义(yi)了裸(luo)片与(yu)封(feng)装(zhuang)系(xi)统的(de)热(re)(re)(re)效应。RθJA 定义(yi)了从裸(luo)片表(biao)面到(dao)周围环(huan)境的(de)热(re)(re)(re)阻抗(kang)，而(er)且一(yi)般(ban)通(tong)过一(yi)个脚注来标明与(yu)PCB设(she)计(ji)的(de)关系(xi)，包括镀铜的(de)层数(shu)和(he)厚度。

三、开关电源中(zhong)的(de)MOS管

现在让(rang)我们考(kao)虑开(kai)关电源(yuan)应(ying)用(yong)，以(yi)及(ji)这(zhei)种(zhong)应(ying)用(yong)如(ru)何需要从一个不(bu)同的(de)(de)角度来审(shen)视数(shu)据手(shou)册(ce)。从定义上而(er)言，这(zhei)种(zhong)应(ying)用(yong)需要MOS管定期导通(tong)和(he)关断。同时，有数(shu)十种(zhong)拓扑(pu)可用(yong)于开(kai)关电源(yuan)，这(zhei)里考(kao)虑一个简单的(de)(de)例(li)子。DC-DC电源(yuan)中常(chang)(chang)用(yong)的(de)(de)基本降压(ya)转换(huan)器依赖两个MOS管来执行开(kai)关功能(图2)，这(zhei)些开(kai)关交(jiao)替(ti)在电感里存储能量(liang)，然(ran)后(hou)把(ba)能量(liang)释放(fang)给负载。目前，设计人员常(chang)(chang)常(chang)(chang)选择数(shu)百kHz乃至1 MHz以(yi)上的(de)(de)频(pin)率(lv)，因为(wei)频(pin)率(lv)越高，磁性元件可以(yi)更小更轻。

四、开关电(dian)源上的MOS管选(xuan)择方法

图2：用于开关电源(yuan)应用的MOS管对(dui)。(DC-DC控制器)

显然，电源设计(ji)相当复(fu)杂，而且也没有一(yi)个简单的(de)公式可用于(yu)MOS管的(de)评估。但我们(men)不妨考虑一(yi)些(xie)关键的(de)参(can)数，以及这些(xie)参(can)数为(wei)什(shen)么至关重要(yao)。传统(tong)上，许多电源设计(ji)人(ren)员都采用一(yi)个综合品(pin)质因(yin)数(栅极电荷QG ×导通阻抗RDS(ON))来评估MOS管或(huo)对(dui)之进行(xing)等级划分。

栅极(ji)电(dian)荷和(he)导(dao)通阻(zu)抗之所以重(zhong)要(yao)，是因为二者(zhe)都对电(dian)源的(de)效率有直接的(de)影响(xiang)。对效率有影响(xiang)的(de)损耗主要(yao)分(fen)为两种(zhong)形式--传导(dao)损耗和(he)开关损耗。

栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)荷是(shi)产(chan)生开(kai)关(guan)(guan)损(sun)耗的主(zhu)要原因。栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)荷单位为纳库仑(nc)，是(shi)MOS管栅极(ji)充电(dian)(dian)(dian)放电(dian)(dian)(dian)所需的能(neng)量(liang)。栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)荷和导通阻(zu)抗(kang)RDS(ON) 在半导体设计(ji)和制造工(gong)艺中(zhong)相互(hu)关(guan)(guan)联，一般来说，器件的栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)荷值较(jiao)低，其(qi)导通阻(zu)抗(kang)参数(shu)就稍(shao)高。开(kai)关(guan)(guan)电(dian)(dian)(dian)源中(zhong)第二重要的MOS管参数(shu)包括输出电(dian)(dian)(dian)容、阈值电(dian)(dian)(dian)压、栅极(ji)阻(zu)抗(kang)和雪(xue)崩能(neng)量(liang)。

某(mou)些特殊的拓扑(pu)(pu)也会改变(bian)不同MOS管参(can)数的相关(guan)品质，例如，可以把(ba)传统的同步降压转换器与谐振转换器做比较(jiao)。谐振转换器只在(zai)(zai)VDS (漏源电压)或(huo)ID (漏极电流(liu))过零(ling)时才进行MOS管开(kai)关(guan)，从(cong)而(er)可把(ba)开(kai)关(guan)损耗(hao)降至(zhi)最低。这(zhei)些技(ji)术被成(cheng)为软开(kai)关(guan)或(huo)零(ling)电压开(kai)关(guan)(ZVS)或(huo)零(ling)电流(liu)开(kai)关(guan)(ZCS)技(ji)术。由于开(kai)关(guan)损耗(hao)被最小化(hua)，RDS(ON) 在(zai)(zai)这(zhei)类(lei)拓扑(pu)(pu)中显得更加重要。

低输出电(dian)容(COSS)值对这(zhei)两类(lei)转(zhuan)换器都大有好处。谐振(zhen)(zhen)转(zhuan)换器中(zhong)的(de)谐振(zhen)(zhen)电(dian)路(lu)主要由(you)变压器的(de)漏电(dian)感与COSS决定。此外(wai)，在(zai)两个MOS管关断的(de)死区时间内，谐振(zhen)(zhen)电(dian)路(lu)必须让COSS完全放电(dian)。

低输(shu)(shu)出电容也有利于传统(tong)的(de)(de)降压转(zhuan)换器(qi)(有时又称为硬开关(guan)转(zhuan)换器(qi))，不(bu)过(guo)原(yuan)因不(bu)同。因为每个硬开关(guan)周期存储在输(shu)(shu)出电容中的(de)(de)能(neng)量会丢失，反之在谐振转(zhuan)换器(qi)中能(neng)量反复循环。因此，低输(shu)(shu)出电容对于同步降压调节器(qi)的(de)(de)低边开关(guan)尤其(qi)重(zhong)要。

五、mos管初(chu)选基本步骤

1 电压(ya)应力(li)

在(zai)电(dian)(dian)源电(dian)(dian)路应(ying)用中，往往首先考虑漏(lou)源电(dian)(dian)压VDS的选(xuan)择。在(zai)此上的基(ji)本(ben)原则(ze)为MOSFET实际工作环境中的最大峰值漏(lou)源极间的电(dian)(dian)压不大于器件规格书(shu)中标(biao)称漏(lou)源击穿电(dian)(dian)压的 90% 。

即：

VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS

注：一般地， V(BR)DSS 具(ju)有正温(wen)度系数(shu)。故应取设备最低工作(zuo)温(wen)度条件下之 V(BR)DSS 值作(zuo)为参(can)考(kao)。

2 漏极电流

其(qi)次考(kao)虑漏(lou)极(ji)电流(liu)的(de)(de)选择。基本原则为MOSFET实际工作(zuo)环境中(zhong)的(de)(de)最大(da)(da)周(zhou)期漏(lou)极(ji)电流(liu)不大(da)(da)于(yu)规格(ge)书(shu)中(zhong)标(biao)称(cheng)最大(da)(da)漏(lou)源电流(liu)的(de)(de)90%；漏(lou)极(ji)脉(mai)冲电流(liu)峰(feng)值不大(da)(da)于(yu)规格(ge)书(shu)中(zhong)标(biao)称(cheng)漏(lou)极(ji)脉(mai)冲电流(liu)峰(feng)值的(de)(de) 90% 。

即(ji)：

ID_max ≤ 90% * ID

ID_pulse ≤ 90% * IDP

注：一般(ban)地，ID_max及(ji)(ji)ID_pulse具有负(fu)温度系数(shu)，故应取器(qi)(qi)件在最大(da)结(jie)温条件下(xia)之(zhi)ID_max及(ji)(ji)ID_pulse值作为参(can)考。器(qi)(qi)件此参(can)数(shu)的选择是极为不确(que)定的—主要是受工(gong)作环境，散(san)热技术，器(qi)(qi)件其它参(can)数(shu)（如导通电阻(zu)，热阻(zu)等）等相(xiang)互(hu)制约(yue)(yue)影响(xiang)所致。最终(zhong)的判定依据是结(jie)点温度（即如下(xia)第(di)六条之(zhi)“耗散(san)功(gong)率(lv)(lv)约(yue)(yue)束”）。根据经验，在实际应用中规格书(shu)目中之(zhi)ID会(hui)比实际最大(da)工(gong)作电流大(da)数(shu)倍，这是因为散(san)耗功(gong)率(lv)(lv)及(ji)(ji)温升(sheng)之(zhi)限制约(yue)(yue)束。在初(chu)选计算时(shi)期还须(xu)根据下(xia)面(mian)第(di)六条的散(san)耗功(gong)率(lv)(lv)约(yue)(yue)束不断调整(zheng)此参(can)数(shu)。建议初(chu)选于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max 。

3 驱(qu)动(dong)要(yao)求

MOSFEF的驱(qu)(qu)动(dong)要求由(you)其栅极总充(chong)电(dian)电(dian)量（Qg）参(can)数决(jue)定。在(zai)(zai)满(man)足(zu)其它参(can)数要求的情(qing)况下，尽(jin)量选择Qg小者以便驱(qu)(qu)动(dong)电(dian)路的设(she)计。驱(qu)(qu)动(dong)电(dian)压(ya)选择在(zai)(zai)保(bao)证远离最大栅源(yuan)电(dian)压(ya)（ VGSS ）前提下使 Ron 尽(jin)量小的电(dian)压(ya)值(zhi)（一般(ban)使用(yong)器件(jian)规格(ge)书中的建议值(zhi)）

4 损耗及散热(re)

小(xiao)(xiao)(xiao)的 Ron 值(zhi)有(you)利(li)于(yu)减(jian)小(xiao)(xiao)(xiao)导(dao)通期间损耗，小(xiao)(xiao)(xiao)的 Rth 值(zhi)可减(jian)小(xiao)(xiao)(xiao)温度差(cha)（同样耗散功率(lv)条件下），故有(you)利(li)于(yu)散热。

5 损耗功率初算

MOSFET 损耗计算主要(yao)包(bao)含如下 8 个部(bu)分：

即：

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

详细计(ji)算(suan)公(gong)式应根据(ju)具体(ti)电路(lu)及工(gong)作条件(jian)而定。例如在同步(bu)整(zheng)流的应用场合(he)，还要考虑体(ti)内二极(ji)管正向(xiang)导通期间(jian)的损(sun)(sun)耗(hao)和转(zhuan)向(xiang)截止时的反向(xiang)恢(hui)复损(sun)(sun)耗(hao)。损(sun)(sun)耗(hao)计(ji)算(suan)可(ke)参考下文(wen)的“MOS管损(sun)(sun)耗(hao)的8个组成部(bu)分”部(bu)分。

6 耗散功率约束

器件稳态损(sun)耗功率 PD,max 应以器件最大工作结温度(du)限制作为考量依据。如(ru)能够预(yu)先知道器件工作环境温度(du)，则可以按(an)如(ru)下(xia)方(fang)法(fa)估算出最大的(de)耗散功率：

即：

PD,max ≤ （ Tj,max - Tamb ） / Rθj-a

其(qi)中Rθj-a是器件结点到其(qi)工(gong)作环境之(zhi)间的(de)总热阻包(bao)括Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance等。如其(qi)间还有(you)绝缘(yuan)材料还须将(jiang)其(qi)热阻考虑进去。

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