如何選擇mos管-教你用四種方法合理選擇mos管-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-09-12
正確選擇MOS管是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，MOS管選擇不好有可能影響到整個(gè)電路的效率和成本，了解不同的MOS管部件的細(xì)微差別及不同開(kāi)關(guān)電路中的應(yīng)力能夠幫助工程師避免諸多問(wèn)題，下面我們來(lái)學(xué)習(xí)下如何選擇mos管正確方法。
為設(shè)計(jì)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(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)MOS管接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該MOS管就構(gòu)成了低壓側(cè)開(kāi)關(guān)。在低壓側(cè)開(kāi)關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOS管，這是出于對(duì)關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOS管連接到總線及負(fù)載接地時(shí)，就要用高壓側(cè)開(kāi)關(guān)。通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎肞溝道MOS管，這也是出于對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)的考慮。
要選擇適合應(yīng)用的器件，必須確定驅(qū)動(dòng)器件所需的電壓，以及在設(shè)計(jì)中最簡(jiǎn)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，額定電壓應(yīng)當(dāng)大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護(hù)，使MOS管不會(huì)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(huì)隨溫度而變化這點(diǎn)十分重要。設(shè)計(jì)人員必須在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)測(cè)試電壓的變化范圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個(gè)變化范圍，確保電路不會(huì)失效。設(shè)計(jì)工程師需要考慮的其他安全因素包括由開(kāi)關(guān)電子設(shè)備(如電機(jī)或變壓器)誘發(fā)的電壓瞬變。不同應(yīng)用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設(shè)備為20V、FPGA電源為20～30V、85～220VAC應(yīng)用為450～600V。
第二步是選擇MOS管的額定電流。視電路結(jié)構(gòu)而定，該額定電流應(yīng)是負(fù)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(shè)計(jì)人員必須確保所選的MOS管能承受這個(gè)額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時(shí)。兩個(gè)考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，MOS管處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電流連續(xù)通過(guò)器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過(guò)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(gè)最大電流的器件便可。
選好額定電流后，還必須計(jì)算導(dǎo)通損耗。在實(shí)際情況下，MOS管并不是理想的器件，因?yàn)樵趯?dǎo)電過(guò)程中會(huì)有電能損耗，這稱之為導(dǎo)通損耗。MOS管在“導(dǎo)通”時(shí)就像一個(gè)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(jì)算，由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì)隨之按比例變化。對(duì)MOS管施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會(huì)越??；反之RDS(ON)就會(huì)越高。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方。對(duì)便攜式設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)，可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會(huì)隨著電流輕微上升。關(guān)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(shù)資料表中查到。
技術(shù)對(duì)器件的特性有著重大影響，因?yàn)橛行┘夹g(shù)在提高最大VDS時(shí)往往會(huì)使RDS(ON)增大。對(duì)于這樣的技術(shù)，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(guān)的開(kāi)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(shù)，其中最主要的是溝道和電荷平衡技術(shù)。
在溝道技術(shù)中，晶片中嵌入了一個(gè)深溝，通常是為低電壓預(yù)留的，用于降低導(dǎo)通電阻RDS(ON)。為了減少最大VDS對(duì)RDS(ON)的影響，開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用了外延生長(zhǎng)柱/蝕刻柱工藝。例如，飛兆半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了稱為SupeRFET的技術(shù)，針對(duì)RDS(ON)的降低而增加了額外的制造步驟。這種對(duì)RDS(ON)的關(guān)注十分重要，因?yàn)楫?dāng)標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的擊穿電壓升高時(shí)，RDS(ON)會(huì)隨之呈指數(shù)級(jí)增加，并且導(dǎo)致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS(ON)與晶片尺寸間的指數(shù)關(guān)系變成了線性關(guān)系。這樣，SuperFET器件便可在小晶片尺寸，甚至在擊穿電壓達(dá)到600V的情況下，實(shí)現(xiàn)理想的低RDS(ON)。結(jié)果是晶片尺寸可減小達(dá)35%。而對(duì)于最終用戶來(lái)說(shuō)，這意味著封裝尺寸的大幅減小。
如何選擇mos管的下一步是計(jì)算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對(duì)最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會(huì)失效。在MOS管的資料表上還有一些需要注意的測(cè)量數(shù)據(jù)；比如封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。
器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據(jù)這個(gè)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(shè)計(jì)人員已確定將要通過(guò)器件的最大電流，因此可以計(jì)算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是，在處理簡(jiǎn)單熱模型時(shí)，設(shè)計(jì)人員還必須考慮半導(dǎo)體結(jié)/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(huì)立即升溫。
雪崩擊穿是指半導(dǎo)體器件上的反向電壓超過(guò)最大值，并形成強(qiáng)電場(chǎng)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(dǎo)體公司都會(huì)對(duì)器件進(jìn)行雪崩測(cè)試，計(jì)算其雪崩電壓，或?qū)ζ骷姆€(wěn)健性進(jìn)行測(cè)試。計(jì)算額定雪崩電壓有兩種方法；一是統(tǒng)計(jì)法，另一是熱計(jì)算。而熱計(jì)算因?yàn)檩^為實(shí)用而得到廣泛采用。除計(jì)算外，技術(shù)對(duì)雪崩效應(yīng)也有很大影響。例如，晶片尺寸的增加會(huì)提高抗雪崩能力，最終提高器件的穩(wěn)健性。對(duì)最終用戶而言，這意味著要在系統(tǒng)中采用更大的封裝件。
如何選擇mos管的最后一步是決定MOS管的開(kāi)關(guān)性能。影響開(kāi)關(guān)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(huì)在器件中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，因?yàn)樵诿看伍_(kāi)關(guān)時(shí)都要對(duì)它們充電。MOS管的開(kāi)關(guān)速度因此被降低，器件效率也下降。為計(jì)算開(kāi)關(guān)過(guò)程中器件的總損耗，設(shè)計(jì)人員必須計(jì)算開(kāi)通過(guò)程中的損耗(Eon)和關(guān)閉過(guò)程中的損耗(Eoff)。MOSFET開(kāi)關(guān)的總功率可用如下方程表達(dá)：Psw=(Eon+Eoff)×開(kāi)關(guān)頻率。而柵極電荷(Qgd)對(duì)開(kāi)關(guān)性能的影響最大。
在了解如何選擇mos管后，接下來(lái)會(huì)講到mos管的導(dǎo)通條件及導(dǎo)通過(guò)程，導(dǎo)通與截止由柵源電壓來(lái)控制，對(duì)于增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)說(shuō)，N溝道的管子加正向電壓即導(dǎo)通，P溝道的管子則加反向電壓。一般2V～4V就可以了。但是，場(chǎng)效應(yīng)管分為增強(qiáng)型（常開(kāi)型）和耗盡型（常閉型），增強(qiáng)型的管子是需要加電壓才能導(dǎo)通的，而耗盡型管子本來(lái)就處于導(dǎo)通狀態(tài)，加?xùn)旁措妷菏菫榱耸蛊浣刂埂?/span>
開(kāi)關(guān)只有兩種狀態(tài)通和斷，三極管和場(chǎng)效應(yīng)管工作有三種狀態(tài)：
1、截止；
2、線性放大；
3、飽和（基極電流繼續(xù)增加而集電極電流不再增加）；
使晶體管只工作在1和3狀態(tài)的電路稱之為開(kāi)關(guān)電路，一般以晶體管截止，集電極不吸收電流表示關(guān)；以晶體管飽和，發(fā)射極和集電極之間的電壓差接近于0V時(shí)表示開(kāi)。開(kāi)關(guān)電路用于數(shù)字電路時(shí)，輸出電位接近0V時(shí)表示0，輸出電位接近電源電壓時(shí)表示1。所以數(shù)字集成電路內(nèi)部的晶體管都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 場(chǎng)效應(yīng)管按溝道分可分為Ｎ溝道和Ｐ溝道管（在符號(hào)圖中可看到中間的箭頭方向不一樣）。
按材料分可分為結(jié)型管和絕緣柵型管，絕緣柵型又分為耗盡型和增強(qiáng)型，一般主板上大多是絕緣柵型管簡(jiǎn)稱MOS管，并且大多采用增強(qiáng)型的Ｎ溝道，其次是增強(qiáng)型的Ｐ溝道，結(jié)型管和耗盡型管幾乎不用。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管.由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,也稱為單極型晶體管.它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件.場(chǎng)效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電,所以稱之為單極型器件,而晶體管是即有多數(shù)載流子,也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電,被稱之為雙極型器件.有些場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用,柵壓也可正可負(fù),靈活性比晶體管好。
導(dǎo)通時(shí)序可分為to~t1、t1~t2、 t2~t3 、t3~t4四個(gè)時(shí)間段，這四個(gè)時(shí)間段有不同的等效電路。
1）t0-t1：C GS1 開(kāi)始充電，柵極電壓還沒(méi)有到達(dá)V GS（th），導(dǎo)電溝道沒(méi)有形成，MOSFET仍處于關(guān)閉狀態(tài)。
2）[t1-t2]區(qū)間, GS間電壓到達(dá)Vgs（th），DS間導(dǎo)電溝道開(kāi)始形成，MOSFET開(kāi)啟，DS電流增加到ID, Cgs2 迅速充電，Vgs由Vgs（th）指數(shù)增長(zhǎng)到Va。
3）[t2-t3]區(qū)間,MOSFET的DS電壓降至與Vgs相同,產(chǎn)生Millier效應(yīng)，Cgd電容大大增加,柵極電流持續(xù)流過(guò)，由于C gd 電容急劇增大，抑制了柵極電壓對(duì)Cgs 的充電,從而使得Vgs 近乎水平狀態(tài)，Cgd 電容上電壓增加,而DS電容上的電壓繼續(xù)減小。
4）[t3-t4]區(qū)間,至t3時(shí)刻,MOSFET的DS電壓降至飽和導(dǎo)通時(shí)的電壓,Millier效應(yīng)影響變小，Cgd 電容變小并和Cgs 電容一起由外部驅(qū)動(dòng)電壓充電, Cgs 電容的電壓上升,至t4時(shí)刻為止.此時(shí)C gs 電容電壓已達(dá)穩(wěn)態(tài),DS間電壓也達(dá)最小，MOSFET完全開(kāi)啟。
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