P溝道和N溝道MOS管工作原理-P溝道和N溝道MOS管應該如何選擇-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-07-23
正確選擇MOS管是很重要的一個環(huán)節(jié)，MOS管選擇不好有可能影響到整個電路的效率和成本，了解不同的MOS管部件的細微差別及不同開關電路中的應力能夠幫助工程師避免諸多問題，下面我們來學習下MOS管的正確的選擇方法。
為設計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOS管。在典型的功率應用中，當一個MOS管接地，而負載連接到干線電壓上時，該MOS管就構成了低壓側(cè)開關。在低壓側(cè)開關中，應采用N溝道MOS管，這是出于對關閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當MOS管連接到總線及負載接地時，就要用高壓側(cè)開關。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOS管，這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮。
要選擇適合應用的器件，必須確定驅(qū)動器件所需的電壓，以及在設計中最簡易執(zhí)行的方法。下一步是確定所需的額定電壓，或者器件所能承受的最大電壓。額定電壓越大，器件的成本就越高。根據(jù)實踐經(jīng)驗，額定電壓應當大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOS管不會失效。就選擇MOS管而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS.知道MOS管能承受的最大電壓會隨溫度而變化這點十分重要。設計人員必須在整個工作溫度范圍內(nèi)測試電壓的變化范圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個變化范圍，確保電路不會失效。設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關電子設備（如電機或變壓器）誘發(fā)的電壓瞬變。不同應用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設備為20V、FPGA電源為20~30V、85~220VAC應用為450~600V.
第二步是選擇P溝道和N溝道MOS管的額定電流。視電路結構而定，該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設計人員必須確保所選的MOS管能承受這個額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導通模式下，MOS管處于穩(wěn)態(tài)，此時電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌（或尖峰電流）流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可。
選好額定電流后，還必須計算導通損耗。在實際情況下，MOS管并不是理想的器件，因為在導電過程中會有電能損耗，這稱之為導通損耗。MOS管在"導通"時就像一個可變電阻，由器件的RDS（ON）所確定，并隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS（ON）計算，由于導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOS管施加的電壓VGS越高，RDS（ON）就會越小；反之RDS（ON）就會越高。對系統(tǒng)設計人員來說，這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來說，采用較低的電壓比較容易（較為普遍），而對于工業(yè)設計，可采用較高的電壓。注意RDS（ON）電阻會隨著電流輕微上升。關于RDS（ON）電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術資料表中查到。
技術對器件的特性有著重大影響，因為有些技術在提高最大VDS時往往會使RDS（ON）增大。對于這樣的技術，如果打算降低VDS和RDS（ON），那么就得增加晶片尺寸，從而增加與之配套的封裝尺寸及相關的開發(fā)成本。業(yè)界現(xiàn)有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術，其中最主要的是溝道和電荷平衡技術。
在溝道技術中，晶片中嵌入了一個深溝，通常是為低電壓預留的，用于降低導通電阻RDS（ON）。為了減少最大VDS對RDS（ON）的影響，開發(fā)過程中采用了外延生長柱/蝕刻柱工藝。例如，飛兆半導體開發(fā)了稱為SupeRFET的技術，針對RDS（ON）的降低而增加了額外的制造步驟。這種對RDS（ON）的關注十分重要，因為當標準MOSFET的擊穿電壓升高時，RDS（ON）會隨之呈指數(shù)級增加，并且導致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS（ON）與晶片尺寸間的指數(shù)關系變成了線性關系。這樣，SuperFET器件便可在小晶片尺寸，甚至在擊穿電壓達到600V的情況下，實現(xiàn)理想的低RDS（ON）。結果是晶片尺寸可減小達35%.而對于最終用戶來說，這意味著封裝尺寸的大幅減小。
P溝道和N溝道MOS管選擇的下一步是計算系統(tǒng)的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結果，因為這個結果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會失效。在MOS管的資料表上還有一些需要注意的測量數(shù)據(jù)；比如封裝器件的半導體結與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結溫。器件的結溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積（結溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散]）。根據(jù)這個方程可解出系統(tǒng)的最大功率耗散，即按定義相等于I2×RDS（ON）。由于設計人員已確定將要通過器件的最大電流，因此可以計算出不同溫度下的RDS（ON）。值得注意的是，在處理簡單熱模型時，設計人員還必須考慮半導體結/器件外殼及外殼/環(huán)境的熱容量；即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫。
雪崩擊穿是指半導體器件上的反向電壓超過最大值，并形成強電場使器件內(nèi)電流增加。該電流將耗散功率，使器件的溫度升高，而且有可能損壞器件。半導體公司都會對器件進行雪崩測試，計算其雪崩電壓，或?qū)ζ骷姆€(wěn)健性進行測試。計算額定雪崩電壓有兩種方法；一是統(tǒng)計法，另一是熱計算。而熱算因為較為實用而得到廣泛采用。除計算外，技術對雪崩效應也有很大影響。例如，晶片尺寸的增加會提高抗雪崩能力，最終提高器件的穩(wěn)健性。對最終用戶而言，這意味著要在系統(tǒng)中采用更大的封裝件。
P溝道和N溝道MOS管選擇的最后一步是決定MOS管的開關性能。影響開關性能的參數(shù)有很多，但最重要的是柵極/漏極、柵極/ 源極及漏極/源極電容。這些電容會在器件中產(chǎn)生開關損耗，因為在每次開關時都要對它們充電。MOS管的開關速度因此被降低，器件效率也下降。為計算開關過程中器件的總損耗，設計人員必須計算開通過程中的損耗（Eon）和關閉過程中的損耗（Eoff）。MOSFET開關的總功率可用如下方程表達：Psw=（Eon+Eoff）×開關頻率。而柵極電荷（Qgd）對開關性能的影響最大。
在實際項目中，我們基本都用增強型mos管，分為N溝道和P溝道兩種。
我們常用的是NMOS，因為其導通電阻小，且容易制造。在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管，在驅(qū)動感性負載（如馬達），這個二極管很重要。順便說一句，體二極管只在單個的MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的。
1.導通特性
NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導通，適合用于源極接地時的情況（低端驅(qū)動），只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。
PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導通，適合用于源極接VCC時的情況（高端驅(qū)動）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動，但由于導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動中，通常還是使用NMOS。
2.MOS開關管損失
不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗?，F(xiàn)在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。
MOS在導通和截止的時候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越高，損失也越大。
導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大?？s短開關時間，可以減小每次導通時的損失；降低開關頻率，可以減小單位時間內(nèi)的開關次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關損失。
3.MOS管驅(qū)動
跟雙極性晶體管相比，一般認為使MOS管導通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個很容易做到，但是，我們還需要速度。
在MOS管的結構中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅(qū)動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。
第二注意的是，普遍用于高端驅(qū)動的NMOS，導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達驅(qū)動器都集成了電荷泵，要注意的是應該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動MOS管。
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