mosfet器件選型需掌握的3大法則及知識理解與應(yīng)用詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-08-25
mosfet器件，金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，簡稱金氧半場效晶體管。是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”（工作載流子）的極性不同，可分為“N型”與“P型”的兩種類型，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡稱上包括NMOS、PMOS等。
M-Metal-導(dǎo)體，O-Oxide-氧化物（絕緣體），S-Semiconductor-半導(dǎo)體，F(xiàn)-Field，E-Effect，T-Transistor -場效應(yīng)晶體管。前三個(gè)字母反應(yīng)了它的結(jié)構(gòu)，MOSFET就是由導(dǎo)體-氧化物-半導(dǎo)體三層結(jié)構(gòu)組成的器件，而后三個(gè)字母則反應(yīng)了他的工作特性，它是一個(gè)感應(yīng)電壓的晶體管。
圖1 MOSFET的結(jié)構(gòu)
第一眼看到圖1會感覺有些復(fù)雜，沒關(guān)系不要緊，我們從簡單的一點(diǎn)點(diǎn)來分析，首先看圖2，這是一個(gè)簡單的我們假想的半導(dǎo)體器件，雖然是假想的，但是不妨礙我們對其原理進(jìn)行理解。這個(gè)我們意淫的器件同樣是由導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體三層結(jié)構(gòu)組成，這個(gè)半導(dǎo)體是P型摻雜的還是N型摻雜的我們先不管，這里我們以P型摻雜的半導(dǎo)體為例。
圖2 一個(gè)簡單的假想的半導(dǎo)體器件
圖3左圖，如果我們在導(dǎo)體和半導(dǎo)體兩端加電壓V1，因?yàn)橛薪^緣體在中間整個(gè)器件沒有電流通過，但此時(shí)你有沒有發(fā)現(xiàn)這個(gè)器件就是一個(gè)電容，導(dǎo)體和電源正極相連帶正電荷，P型摻雜的半導(dǎo)體本來能用來導(dǎo)電的自由電子很少，但由于和電源負(fù)極相連，自由電子都聚集到和絕緣體相接的表面。這個(gè)自由電荷聚集的區(qū)域我們稱為溝道，此時(shí)，溝道中沒有電流，只有電荷，其電荷數(shù)量為。
圖3 加電壓
這里的V就是V1，C就是導(dǎo)體和半導(dǎo)體形成的電容，知道了這個(gè)原理，我們可以得到下面兩點(diǎn)初步的認(rèn)識：
①當(dāng)V1變大，電荷數(shù)量Q變大，溝道中自由電荷的密度增大；
②當(dāng)絕緣體的厚度t_ox下降，則電容C變大，電荷數(shù)量變大，溝道中自由電荷的密度增大。
看圖3右圖，當(dāng)在溝道的兩端加電壓V2，因?yàn)闇系乐斜旧泶嬖诳梢宰杂梢苿拥碾娮?，此時(shí)在溝道中就形成了電流。當(dāng)V1增大時(shí)，電荷密度增加，導(dǎo)致溝道兩端之間的電阻變小，導(dǎo)致電流增大。
有了上面的理論基礎(chǔ)我們回過頭來再看圖1，是不是感覺親切了很多，但是和圖3相比，圖1有四點(diǎn)值得注意：
①該器件在下面的P型半導(dǎo)體基板上注入了兩塊重?fù)诫s的N型半導(dǎo)體。這是因?yàn)镹型半導(dǎo)體能提供自由電子，對溝道中的電流傳導(dǎo)有好處；
②所有的電壓都是在上面加的，這是因?yàn)樗械腗OSFET器件是做在晶圓上的，晶圓片的示意圖如圖4，其中藍(lán)色的小方格表示一個(gè)個(gè)小器件，所以，電壓只能從上面加，不可能從側(cè)邊和下面加。
圖4 晶圓片示意圖
③圖3有圖有4個(gè)端口，即V1的兩個(gè)端口和V2的兩個(gè)端口，而圖1只有源級S、漏極D和柵極G三個(gè)端口，這是因?yàn)榱?xí)慣上把最下面的半導(dǎo)體基板作為參考電壓為零，沒有畫出來。而且受源級S、漏極D和柵極G三個(gè)端口電壓的影響，溝道兩邊的電壓是不均勻的，靠近源級一側(cè)的電壓為V_GS，而靠近漏極一側(cè)的電壓為V_GD。
④MOSFET器件是對稱的，哪一端是源級，那一端是漏極呢？對于圖1的MOSFET（NMOS）來說，兩個(gè)N型摻雜半導(dǎo)體上加電壓低的一端是源級，這是因?yàn)镹MOS靠電子導(dǎo)電，從電壓低的一端流到電壓高的一端，電壓低的一端為電子的“源泉”。
圖5 左為物理結(jié)構(gòu)，右為電學(xué)符號
圖5中左圖為MOSFET的物理結(jié)構(gòu)，右圖為其電學(xué)符號，這里我畫了4個(gè)是為了無論這個(gè)符號在電路圖中怎么擺放，大家都應(yīng)該認(rèn)識。這里要大家特別注意的是：符號中的箭頭不是柵極或漏極的標(biāo)志，因?yàn)镸OSFET是對稱的，哪一端是漏極或柵極需要看所加電壓的大小。這里的箭頭只是區(qū)別NMOS還是PMOS，NMOS箭頭向外如圖中所示，PMOS箭頭向里。一個(gè)簡單的記憶方法是，箭頭總是從P型半導(dǎo)體指向N型半導(dǎo)體（和二極管的箭頭類似）。
研究一個(gè)器件最直接的一種方法就是在各個(gè)端口加電壓，然后看看各個(gè)端口電流的一些性質(zhì)，也就是研究該器件各個(gè)端口的伏安特性曲線。
Case I：如圖6，在MOSFET柵極加電壓，V_G>0，V_S=V_D=0。此時(shí)在溝道中聚集了電荷，電荷密度會隨著V_G的增大而增大，但是沒有電流。
圖6 Case I
Case II：如圖7，在MOSFET柵極和漏極加電壓，V_G>0，V_D>0，V_S=0。此時(shí)，V_G試溝道聚集了電荷，當(dāng)V_G>V_TH時(shí)，電荷數(shù)量聚集達(dá)到一定程度，再當(dāng)V_D>0時(shí)，在電壓的驅(qū)動下自由電荷運(yùn)動形成電流。
圖7 Case II
伏安特性：① 當(dāng)V_G>V_TH為常數(shù)時(shí)，從直觀上來看流過溝道的電流I_D隨著V_D的增大而增大。② 當(dāng)V_D為常數(shù)時(shí)，因?yàn)閂_G越大，溝道中聚集的電子數(shù)量越多，相當(dāng)于從溝道一端到另一端的電阻越小，那么從直觀上來看流過溝道的電流I_D也會增大。
mosfet器件恐怕是工程師們最常用的器件之一了，但你知道嗎？關(guān)于MOSFET的器件選型要考慮各方面的因素，小到選N型還是P型、封裝類型；大到MOSFET的耐壓、導(dǎo)通電阻等，不同的應(yīng)用需求千變?nèi)f化，下面會總結(jié)一些MOSFET器件選型的3大法則，希望對大家有幫助。
（一）功率MOSFET選型第一步：P溝道還是N溝道？
功率MOSFET有兩種類型：N溝道和P溝道，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中選擇N溝道還是P溝道，要針對實(shí)際的應(yīng)用具體來選擇。N溝道MOSFET選擇的型號多，成本低；P溝道MOSFET選擇的型號較少，成本高。
如果功率MOSFET的S極連接端的電壓不是系統(tǒng)的參考地，N溝道就需要浮地驅(qū)動、變壓器驅(qū)動或自舉驅(qū)動，驅(qū)動電路復(fù)雜；P溝道可以直接驅(qū)動，驅(qū)動簡單。
需要考慮N溝道和P溝道的應(yīng)用主要是：
（1）筆記本電腦、臺式機(jī)和服務(wù)器等使用的給CPU和系統(tǒng)散熱的風(fēng)扇，打印機(jī)進(jìn)紙系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動，吸塵器、空氣凈化器、電風(fēng)扇等白家電的電機(jī)控制電路。這些系統(tǒng)使用全橋電路結(jié)構(gòu)，每個(gè)橋臂可以使用P溝道或者N溝道。
（2）通信系統(tǒng)48V輸入系統(tǒng)的熱插撥MOSFET放在高端，可以使用P溝道，也可以使用N溝道。
（3）筆記本電腦輸入回路串聯(lián)的、起防反接和負(fù)載開關(guān)作用的兩個(gè)背靠背的功率MOSFET。使用N溝道需要控制芯片內(nèi)部集成驅(qū)動的充電泵，使用P溝道可以直接驅(qū)動。
（二）選取封裝類型
功率MOSFET的溝道類型確定后，第二步就要確定封裝，封裝選取原則有：
（1）溫升和熱設(shè)計(jì)是選取封裝最基本的要求
不同的封裝尺寸具有不同的熱阻和耗散功率，除了考慮系統(tǒng)的散熱條件和環(huán)境溫度，如是否有風(fēng)冷、散熱器的形狀和大小限制、環(huán)境是否封閉等因素，基本原則就是在保證功率MOSFET的溫升和系統(tǒng)效率的前提下，選取參數(shù)和封裝更通用的功率MOSFET。
有時(shí)候由于其他條件的限制，需要使用多個(gè)MOSFET并聯(lián)的方式來解決散熱的問題，如在PFC應(yīng)用、電動汽車電機(jī)控制器、通信系統(tǒng)的模塊電源次級同步整流等應(yīng)用中，都會選取多溝道并聯(lián)的方式。
（2）系統(tǒng)的尺寸限制
有些電子系統(tǒng)受制于PCB的尺寸和內(nèi)部的高度，如通信系統(tǒng)的模塊電源由于高度的限制通常采用DFN5*6和DFN3*3的封裝；在有些ACDC的電源中，由于使用超薄設(shè)計(jì)或由于外殼的限制，裝配時(shí)TO220封裝的功率MOSFET溝道腳直接插到根部，由于高度的限制不能使用TO247的封裝。
有些超薄設(shè)計(jì)直接將器件溝道腳折彎平放，這種設(shè)計(jì)生產(chǎn)工序會變復(fù)雜。在大容量的鋰電池保護(hù)板中，由于尺寸限制極為苛刻，現(xiàn)在大多使用芯片級的CSP封裝，盡可能提高散熱性能同時(shí)縮小尺寸。
（3）成本控制
早期很多電子系統(tǒng)使用插件封裝，這幾年由于人工成本增加，很多公司開始改用貼片封裝，雖然貼片的焊接成本比插件高，但是貼片焊接的自動化程度高，總體成本仍然可以控制在合理的范圍。在臺式機(jī)的主板和板卡等一些對成本極其敏感的應(yīng)用中，通常采用DPAK封裝的功率MOSFET。
因此在選擇功率MOSFET的封裝時(shí)，要結(jié)合產(chǎn)品的特點(diǎn)，綜合考慮上面因素選取適合的方案。
（三）選取導(dǎo)通電阻RDSON，注意：不是電
很多時(shí)候工程師關(guān)心RDSON，是因?yàn)镽DSON和導(dǎo)通損耗直接相關(guān)。RDSON越小，功率MOSFET的導(dǎo)通損耗越?。恍试礁?、溫升越低。
同樣的，工程師盡可能沿用以前項(xiàng)目中或物料庫中現(xiàn)有的元件，對于RDSON的真正選取方法并沒有太多的考慮。當(dāng)選用的功率MOSFET的溫升太低，出于成本的考慮，會改用RDSON大一些的元件；當(dāng)功率MOSFET的溫升太高、系統(tǒng)的效率偏低，就會改用RDSON小一些的元件，或通過優(yōu)化外部的驅(qū)動電路，改進(jìn)散熱的方式等來進(jìn)行調(diào)整。
如果是一個(gè)全新的項(xiàng)目，沒有以前的項(xiàng)目可循，那么如何選取功率MOSFET的RDSON？這里介紹一個(gè)方法給大家：
功耗分配法
當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)電源系統(tǒng)的時(shí)候，已知條件有：輸入電壓范圍、輸出電壓/輸出電流、效率、工作頻率和驅(qū)動電壓，當(dāng)然還有其他的技術(shù)指標(biāo)，但和功率MOSFET相關(guān)的主要是這些參數(shù)。步驟如下：
（1）根據(jù)輸入電壓范圍、輸出電壓/輸出電流和效率，計(jì)算系統(tǒng)的最大損耗。
（2）對功率回路的雜散損耗、非功率回路元件的靜態(tài)損耗、IC的靜態(tài)損耗以及驅(qū)動損耗做大致的估算，經(jīng)驗(yàn)值可以占總損耗的10%～15%。如果功率回路有電流取樣電阻，則計(jì)算電流取樣電阻的功耗?？倱p耗減去上面的這些損耗，剩下部分就是功率器件、變壓器或電感的功率損耗。將剩下的功率損耗按一定的比例分配到功率器件和變壓器或電感中，不確定的話，按元件數(shù)目平均分配，這樣就得到每個(gè)MOSFET的功率損耗。
（3）將MOSFET的功率損耗，按一定的比例分配給開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，不確定的話，平均分配開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。
（4）通過MOSFET導(dǎo)通損耗和流過的有效值電流，計(jì)算最大允許的導(dǎo)通電阻，這個(gè)電阻是MOSFET在最高工作結(jié)溫的RDSON。數(shù)據(jù)表中功率MOSFET的RDSON標(biāo)注有確定的測試條件，在不同的既定條件下具有不同的值，測試的溫度為：TJ=25℃，RDSON具有正溫度系數(shù)，因此根據(jù)MOSFET最高的工作結(jié)溫和RDSON溫度系數(shù)，由上述RDSON計(jì)算值，得到25℃溫度下對應(yīng)的RDSON。
（5）通過25℃的RDSON來選取型號合適的功率MOSFET，根據(jù)MOSFET的RDSON實(shí)際參數(shù)，向下或向上修整。通過以上步驟，就可以初步選定功率MOSFET的型號和RDSON參數(shù)。
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