開關(guān)電源中的MOS管

今天我們在來一同學(xué)習(xí)下開關(guān)電源上面要怎樣選擇MOS管吧，看下開關(guān)電源上面選用MOS管應(yīng)留意那些東西，哪些參數(shù)是MOS管在開關(guān)電源中起著決議性作用的，請往下看。
如今讓我們思索開關(guān)電源應(yīng)用，以及這種應(yīng)用如何需求從一個不同的角度來審視數(shù)據(jù)手冊。從定義上而言，這種應(yīng)用需求MOS管定期導(dǎo)通和關(guān)斷。同時，有數(shù)十種拓?fù)淇捎糜陂_關(guān)電源，這里思索一個簡單的例子。DC-DC電源中常用的根本降壓轉(zhuǎn)換器依賴兩個MOS管來執(zhí)行開關(guān)功用(圖2)，這些開關(guān)交替在電感里存儲能量，然后把能量釋放給負(fù)載。目前，設(shè)計(jì)人員常常選擇數(shù)百kHz乃至1 MHz以上的頻率，由于頻率越高，磁性元件能夠更小更輕。

開關(guān)電源上的MOS管選擇辦法圖2：用于開關(guān)電源應(yīng)用的MOS管對。(DC-DC控制器)顯然，電源設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，而且也沒有一個簡單的公式可用于MOS管的評價。但我們無妨思索一些關(guān)鍵的參數(shù)，以及這些參數(shù)為什么至關(guān)重要。傳統(tǒng)上，許多電源設(shè)計(jì)人員都采用一個綜合質(zhì)量因數(shù)(柵極電荷QG ×導(dǎo)通阻抗RDS(ON))來評價MOS管或?qū)χＶ沟燃墑澐帧?

柵極電荷和導(dǎo)通阻抗之所以重要，是由于二者都對電源的效率有直接的影響。對效率有影響的損耗主要分為兩種方式--傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。

柵極電荷是產(chǎn)生開關(guān)損耗的主要緣由。柵極電荷單位為納庫侖(nc)，是MOS管柵極充電放電所需的能量。柵極電荷和導(dǎo)通阻抗RDS(ON) 在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造工藝中互相關(guān)聯(lián)，普通來說，器件的柵極電荷值較低，其導(dǎo)通阻抗參數(shù)就稍高。開關(guān)電源中第二重要的MOS管參數(shù)包括輸出電容、閾值電壓、柵極阻抗和雪崩能量。

某些特殊的拓?fù)湟矔膭硬煌琈OS管參數(shù)的相關(guān)質(zhì)量，例如，能夠把傳統(tǒng)的同步降壓轉(zhuǎn)換器與諧振轉(zhuǎn)換器做比擬。諧振轉(zhuǎn)換器只在VDS (漏源電壓)或ID (漏極電流)過零時才停止MOS管開關(guān)，從而可把開關(guān)損耗降至最低。這些技術(shù)被成為軟開關(guān)或零電壓開關(guān)(ZVS)或零電流開關(guān)(ZCS)技術(shù)。由于開關(guān)損耗被最小化，RDS(ON) 在這類拓?fù)渲酗@得愈加重要。

低輸出電容(COSS)值對這兩類轉(zhuǎn)換器都大有益處。諧振轉(zhuǎn)換器中的諧振電路主要由變壓器的漏電感與COSS決議。

此外，在兩個MOS管關(guān)斷的死區(qū)時間內(nèi)，諧振電路必需讓COSS完整放電。低輸出電容也有利于傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器(有時又稱為硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器)，不過緣由不同。由于每個硬開關(guān)周期存儲在輸出電容中的能量會喪失，反之在諧振轉(zhuǎn)換器中能量重復(fù)循環(huán)。因而，低輸出電容關(guān)于同步降壓調(diào)理器的低邊開關(guān)特別重要。

開關(guān)電源上的MOS管選擇辦法

MOS管最常見的應(yīng)用可能是電源中的開關(guān)元件，此外，它們對電源輸出也大有裨益。效勞器和通訊設(shè)備等應(yīng)用普通都配置有多個并行電源，以支持N+1 冗余與持續(xù)工作 (圖1)。各并行電源均勻分擔(dān)負(fù)載，確保系統(tǒng)即便在一個電源呈現(xiàn)毛病的狀況下依然可以繼續(xù)工作。不過，這種架構(gòu)還需求一種辦法把并行電源的輸出銜接在一同，并保證某個電源的毛病不會影響到其它的電源。在每個電源的輸出端，有一個功率MOS管能夠讓眾電源分擔(dān)負(fù)載，同時各電源又彼此隔離 。起這種作用的MOS管被稱為"ORing"FET，由于它們實(shí)質(zhì)上是以 "OR" 邏輯來銜接多個電源的輸出。

開關(guān)電源上的MOS管選擇辦法圖1：用于針對N+1冗余拓?fù)涞牟⑿须娫纯刂频腗OS管在ORing FET應(yīng)用中，MOS管的作用是開關(guān)器件，但是由于效勞器類應(yīng)用中電源不連續(xù)工作，這個開關(guān)實(shí)踐上一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。其開關(guān)功用只發(fā)揮在啟動和關(guān)斷，以及電源呈現(xiàn)缺點(diǎn)之時 。

相比從事以開關(guān)為中心應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員，ORing FET應(yīng)用設(shè)計(jì)人員顯然必需關(guān)注MOS管的不同特性。以效勞器為例，在正常工作期間，MOS管只相當(dāng)于一個導(dǎo)體。因而，ORing FET應(yīng)用設(shè)計(jì)人員最關(guān)懷的是最小傳導(dǎo)損耗。

低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺寸降至最小

普通而言，MOS管制造商采用RDS(ON) 參數(shù)來定義導(dǎo)通阻抗;對ORing FET應(yīng)用來說，RDS(ON) 也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊定義RDS(ON) 與柵極 (或驅(qū)動) 電壓 VGS 以及流經(jīng)開關(guān)的電流有關(guān)，但關(guān)于充沛的柵極驅(qū)動，RDS(ON) 是一個相對靜態(tài)參數(shù)。

若設(shè)計(jì)人員試圖開發(fā)尺寸最小、本錢最低的電源，低導(dǎo)通阻抗更是加倍的重要。在電源設(shè)計(jì)中，每個電源常常需求多個ORing MOS管并行工作，需求多個器件來把電傳播送給負(fù)載。在許多狀況下，設(shè)計(jì)人員必需并聯(lián)MOS管，以有效降低RDS(ON)。

需謹(jǐn)記，在 DC 電路中，并聯(lián)電阻性負(fù)載的等效阻抗小于每個負(fù)載單獨(dú)的阻抗值。比方，兩個并聯(lián)的2Ω 電阻相當(dāng)于一個1Ω的電阻 。因而，普通來說，一個低RDS(ON) 值的MOS管，具備大額定電流，就能夠讓設(shè)計(jì)人員把電源中所用MOS管的數(shù)目減至最少。

除了RDS(ON)之外，在MOS管的選擇過程中還有幾個MOS管參數(shù)也對電源設(shè)計(jì)人員十分重要。許多狀況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該親密關(guān)注數(shù)據(jù)手冊上的平安工作區(qū)(SOA)曲線，該曲線同時描繪了漏極電流和漏源電壓的關(guān)系。根本上，SOA定義了MOSFET可以平安工作的電源電壓和電流。在ORing FET應(yīng)用中，首要問題是：在"完整導(dǎo)通狀態(tài)"下FET的電傳播送才能。實(shí)踐上無需SOA曲線也能夠取得漏極電流值。

若設(shè)計(jì)是完成熱插拔功用，SOA曲線或許更能發(fā)揮作用。在這種狀況下，MOS管需求局部導(dǎo)通工作。SOA曲線定義了不同脈沖期間的電流和電壓限值。

留意剛剛提到的額定電流，這也是值得思索的熱參數(shù)，由于一直導(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。另外，日漸升高的結(jié)溫也會招致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊規(guī)則了熱阻抗參數(shù)，其定義為MOS管封裝的半導(dǎo)體結(jié)散熱才能。RθJC的最簡單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。細(xì)言之，在實(shí)踐丈量中其代表從器件結(jié)(關(guān)于一個垂直MOS管，即裸片的上外表左近)到封裝表面面的熱阻抗，在數(shù)據(jù)手冊中有描繪。若采用PowerQFN封裝，管殼定義為這個大漏極片的中心。因而，RθJC 定義了裸片與封裝系統(tǒng)的熱效應(yīng)。RθJA 定義了從裸片外表到四周環(huán)境的熱阻抗，而且普通經(jīng)過一個腳注來標(biāo)明與PCB設(shè)計(jì)的關(guān)系，包括鍍銅的層數(shù)和厚度。

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