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MOSFET的设计选型

随着电源的市场要求不断发展和进步,电源硬件设计人员必须跟上技术的发展步伐,

才能为其设计挑选最合适的电子器件。MOSFET是电源中的核心部件,开关电源的“开关”就是指MOSFET,工程师需要深入了解它的关键特性及指标才能做出正确选择。如何根据热性能、RDS(ON)、雪崩击穿电压及开关性能等指标来选择合适的MOSFET,是设计过程中的关键。

MOSFET有两大类型:N沟道和P沟道。当在N沟道MOSFET的栅极和源极间加上正电压时,其开关导通。导通时,电流可经开关从漏极流向源极。漏极和源极之间存在一个内阻,称为导通电阻RDS(ON)。必须清楚MOSFET的栅极是个高阻抗端,因此,总是要在栅极加上一个电压。如果栅极为悬空,器件将不能按设计意图工作,并可能在不恰当的时刻导通或关闭,导致系统产生潜在的功率损耗。当源极和栅极间的电压为零时,开关关闭,而电流停止通过器件。虽然这时器件已经关闭,但仍然有微小电流存在,这称之为漏电流,即IDSS

第一步:确定选用N沟道还是P沟道

设计选择MOSFET的第一步是决定采用N沟道还是P沟道MOSFET。在典型的开关电源应用中,通常采用N沟道MOSFET。个别特殊线路中会才用到P沟道MOSFET

要选择适合应用的器件,必须确定驱动器件所需的电压,以及在设计中最简易执行的方法。下一步是确定所需的额定电压,或者器件所能承受的最大电压。额定电压越大,器件的成本就越高。根据电源输入规格,结合电源电路,可以通过变压器参数计算出MOSFET的最高电压,确定漏极至源极间可能承受的最大电压,即最大VDS。一般在此基础上留出10%余量,这样才能提供足够的保护,使MOSFET不会失效。一般初级侧MOSFET至少选用650V的,次级侧则根据输出电压不同而不同。

第二步:确定额定电流

第二步是选择MOSFET的额定电流。视电路结构而定,该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似,设计人员必须确保所选的MOSFET能承受这个额定电流,即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下,MOSFET处于稳态,此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流,只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。

选好额定电流后,还必须计算导通损耗。在实际情况下,MOSFET并不是理想的器件,因为在导电过程中会有电能损耗,这称之为导通损耗。MOSFET导通时就像一个可变电阻,由器件的RDS(ON)所确定,并随温度而显著变化。器件的功率耗损可由Iload2×RDS(ON)计算,由于导通电阻随温度变化,因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOSFET施加的电压VGS越高,RDS(ON)就会越小;反之RDS(ON)就会越高。对电源设计人员来说,这就是取决于驱动电压而需要折中权衡的地方。对便携式设计来说,采用较低的电压比较容易(较为普遍),而对于工业设计,可采用较高的电压。注意RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升。关于RDS(ON)电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。

技术对器件的特性有着重大影响,因为有些技术在提高最大VDS时往往会使RDS(ON)增大。对于这样的技术,如果打算降低VDSRDS(ON),那么就得增加晶片尺寸,从而增加与之配套的封装尺寸及相关的开发成本。

在沟道技术中,晶片中嵌入了一个深沟,通常是为低电压预留的,用于降低导通电阻RDS(ON)。为了减少最大VDSRDS(ON)的影响,开发过程中采用了外延生长柱、蚀刻柱工艺。例如SuperFET的技术,针对RDS(ON)的降低而增加了额外的制造步骤。这种对RDS(ON)的关注十分重要,因为当标准MOSFET的击穿电压升高时,RDS(ON)会随之呈指数级增加,并且导致晶片尺寸增大。SuperFET工艺将RDS(ON)与晶片尺寸间的指数关系变成了线性关系。这样,SuperFET器件便可在小晶片尺寸,甚至在击穿电压达到600V的情况下,实现理想的低RDS(ON)

第三步:确定热要求

选择MOSFET的下一步是计算电源的散热要求。工程师必须考虑两种不同的情况,即最坏情况和真实情况。需要针对最坏情况的计算结果,因为这个结果提供更大的安全余量,能确保电源不会失效。在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量数据;比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻,以及最大的结温。

器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积

结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散]

根据这个方程可解出电源的最大功率耗散,即按定义相等于I2×RDS(ON)

由于已确定将要通过器件的最大电流,因此可以计算出不同温度下的RDS(ON)。值得注意的是,在处理简单热模型时,还必须考虑半导体结、器件外壳及外壳、环境的热容量;即要求印刷电路板和封装不会立即升温。

一般的应用中IC的驱动可以直接驱动MOSFET,但是考虑到通常驱动走线不是直线,感量可能会更大,并且为了防止外部干扰,还是要使用Rg驱动电阻进行抑制。考虑到走线分布电容的影响,这个电阻要尽量靠近MOSFET的栅极。

关于RgL对于上升时间的影响:(Cgs=1nFVCgs=0.9*Vdrive)

 

可以看到L对上升时间的影响比较小,主要还是Rg影响比较大。上升时间可以用2*Rg*Cgs来近似估算,通常上升时间小于导通时间的二十分之一时,MOSFET开关导通时的损耗不致于会太大造成发热问题,因此当MOSFET的最小导通时间确定后Rg最大值也就确定了 ,一般Rg在取值范围内越小越好,但是考虑EMI的话可以适当取大。

以上的是MOSFET ON状态时电阻的选择,在MOSFET OFF状态时为了保证栅极电荷快速泻放,此时阻值要尽量小,这也是Rsink<Rsource的原因。通常为了保证快速泻放,在Rg上可以并联一个二极管。当泻放电阻过小,由于走线电感的原因也会引起谐振(因此有些应用中也会在这个二极管上串一个小电阻),但是由于二极管的反向电流不导通,此时Rg又参与反向谐振回路,因此可以抑制反向谐振的尖峰。这个二极管通常使用高频小信号管1N4148 

实际使用中还要考虑MOSFET栅漏极还有个电容Cgd的影响,MOSFET ON时Rg还要对Cgd充电,会改变电压上升斜率,OFF时VCC会通过Cgd向Cgs充电,此时必须保证Cgs上的电荷快速放掉,否则会导致MOSFET的异常导通。

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