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菜鳥(niǎo)選擇MOSFET的四步驟！

發(fā)布時(shí)間：2019-09-09 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】本文概括了一些MOSFET的關(guān)鍵指標(biāo)，這些指標(biāo)在數(shù)據(jù)表上是如何表述的，以及你理解這些指標(biāo)所要用到的清晰圖片。像大多數(shù)電子器件一樣，MOSFET也受到工作溫度的影響。所以很重要的一點(diǎn)是了解測(cè)試條件，所提到的指標(biāo)是在這些條件下應(yīng)用的。還有很關(guān)鍵的一點(diǎn)是弄明白你在“產(chǎn)品簡(jiǎn)介”里看到的這些指標(biāo)是“最大”或是“典型”值，因?yàn)橛行?shù)據(jù)表并沒(méi)有說(shuō)清楚。
 
一位工程師曾經(jīng)對(duì)我講，他從來(lái)不看MOSFET數(shù)據(jù)表的第一頁(yè)，因?yàn)?ldquo;實(shí)用”的信息只在第二頁(yè)以后才出現(xiàn)。事實(shí)上，MOSFET數(shù)據(jù)表上的每一頁(yè)都包含有對(duì)設(shè)計(jì)者非常有價(jià)值的信息。但人們不是總能搞得清楚該如何解讀制造商提供的數(shù)據(jù)。本文概括了一些MOSFET的關(guān)鍵指標(biāo)，這些指標(biāo)在數(shù)據(jù)表上是如何表述的，以及你理解這些指標(biāo)所要用到的清晰圖片。像大多數(shù)電子器件一樣，MOSFET也受到工作溫度的影響。所以很重要的一點(diǎn)是了解測(cè)試條件，所提到的指標(biāo)是在這些條件下應(yīng)用的。還有很關(guān)鍵的一點(diǎn)是弄明白你在“產(chǎn)品簡(jiǎn)介”里看到的這些指標(biāo)是“最大”或是“典型”值，因?yàn)橛行?shù)據(jù)表并沒(méi)有說(shuō)清楚。
 
電壓等級(jí)
 
確定MOSFET的首要特性是其漏源電壓VDS，或“漏源擊穿電壓”，這是在柵極短路到源極，漏極電流在250μA情況下，MOSFET所能承受的保證不損壞的最高電壓。VDS也被稱(chēng)為“25℃下的絕對(duì)最高電壓”，但是一定要記住，這個(gè)絕對(duì)電壓與溫度有關(guān)，而且數(shù)據(jù)表里通常有一個(gè)“VDS溫度系數(shù)”。你還要明白，最高VDS是直流電壓加上可能在電路里存在的任何電壓尖峰和紋波。例如，如果你在電壓30V并帶有100mV、5ns尖峰的電源里使用30V器件，電壓就會(huì)超過(guò)器件的絕對(duì)最高限值，器件可能會(huì)進(jìn)入雪崩模式。在這種情況下，MOSFET的可靠性沒(méi)法得到保證。
 
在高溫下，溫度系數(shù)會(huì)顯著改變擊穿電壓。例如，一些600V電壓等級(jí)的N溝道MOSFET的溫度系數(shù)是正的，在接近最高結(jié)溫時(shí)，溫度系數(shù)會(huì)讓這些MOSFET變得象650V MOSFET。很多MOSFET用戶的設(shè)計(jì)規(guī)則要求10%～20%的降額因子。在一些設(shè)計(jì)里，考慮到實(shí)際的擊穿電壓比25℃下的額定數(shù)值要高5%~10%，會(huì)在實(shí)際設(shè)計(jì)中增加相應(yīng)的有用設(shè)計(jì)裕量，對(duì)設(shè)計(jì)是很有利的。
 
對(duì)正確選擇MOSFET同樣重要的是理解在導(dǎo)通過(guò)程中柵源電壓VGS的作用。這個(gè)電壓是在給定的最大RDS(on)條件下，能夠確保MOSFET完全導(dǎo)通的電壓。這就是為什么導(dǎo)通電阻總是與VGS水平關(guān)聯(lián)在一起的原因，而且也是只有在這個(gè)電壓下才能保證器件導(dǎo)通。一個(gè)重要的設(shè)計(jì)結(jié)果是，你不能用比用于達(dá)到RDS(on)額定值的最低VGS還要低的電壓，來(lái)使MOSFET完全導(dǎo)通。例如，用3.3V微控制器驅(qū)動(dòng)MOSFET完全導(dǎo)通，你需要用在VGS= 2.5V或更低條件下能夠?qū)ǖ腗OSFET。
 
導(dǎo)通電阻，柵極電荷，以及“優(yōu)值系數(shù)”
 
MOSFET的導(dǎo)通電阻總是在一個(gè)或多個(gè)柵源電壓條件下確定的。最大RDS(on)限值可以比典型數(shù)值高20%～50%。 RDS(on)最大限值通常指的25℃結(jié)溫下的數(shù)值，而在更高的溫度下，RDS(on)可以增加30%～150%，如圖1所示。由于RDS(on)隨溫度而變，而且不能保證最小的電阻值，根據(jù)RDS(on)來(lái)檢測(cè)電流不是很準(zhǔn)確的方法。
 
菜鳥(niǎo)選擇MOSFET的四步驟！
圖1 RDS(on)在最高工作溫度的30%～150%這個(gè)范圍內(nèi)隨溫度增加而增加
 
導(dǎo)通電阻對(duì)N溝道和P溝道MOSFET都是十分重要的。在開(kāi)關(guān)電源中，Qg是用在開(kāi)關(guān)電源里的N溝道MOSFET的關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)镼g會(huì)影響開(kāi)關(guān)損耗。這些損耗有兩個(gè)方面影響：一個(gè)是影響MOSFET導(dǎo)通和關(guān)閉的轉(zhuǎn)換時(shí)間；另一個(gè)是每次開(kāi)關(guān)過(guò)程中對(duì)柵極電容充電所需的能量。要牢記的一點(diǎn)是，Qg取決于柵源電壓，即使用更低的Vgs可以減少開(kāi)關(guān)損耗。
 
作為一種快速比較準(zhǔn)備用在開(kāi)關(guān)應(yīng)用里MOSFET的方式，設(shè)計(jì)者經(jīng)常使用一個(gè)單數(shù)公式，公式包括表示傳導(dǎo)損耗RDS(on)及表示開(kāi)關(guān)損耗的Qg：RDS(on) xQg。這個(gè)“優(yōu)值系數(shù)”(FOM)總結(jié)了器件的性能，可以用典型值或最大值來(lái)比較MOSFET。要保證在器件中進(jìn)行準(zhǔn)確的比較，你需要確定用于RDS(on) 和Qg的是相同的VGS，在公示里典型值和最大值沒(méi)有碰巧混在一起。較低的FOM能讓你在開(kāi)關(guān)應(yīng)用里獲得更好的性能，但是不能保證這一點(diǎn)。只有在實(shí)際的電路里才能獲得最好的比較結(jié)果，在某些情況下可能需要針對(duì)每個(gè)MOSFET對(duì)電路進(jìn)行微調(diào)。
 
額定電流和功率耗散
 
基于不同的測(cè)試條件，大多數(shù)MOSFET在數(shù)據(jù)表里都有一個(gè)或多個(gè)的連續(xù)漏極電流。你要仔細(xì)看看數(shù)據(jù)表，搞清楚這個(gè)額定值是在指定的外殼溫度下(比如TC = 25℃)，或是環(huán)境溫度(比如TA = 25℃)。這些數(shù)值當(dāng)中哪些是最相關(guān)將取決于器件的特性和應(yīng)用(見(jiàn)圖2)。
 
菜鳥(niǎo)選擇MOSFET的四步驟！
菜鳥(niǎo)選擇MOSFET的四步驟！
圖2  全部絕對(duì)最大電流和功率數(shù)值都是真實(shí)的數(shù)據(jù)
 
對(duì)于用在手持設(shè)備里的小型表面貼裝器件，關(guān)聯(lián)度最高的電流等級(jí)可能是在70℃環(huán)境溫度下的電流，對(duì)于有散熱片和強(qiáng)制風(fēng)冷的大型設(shè)備，在TA = 25℃下的電流等級(jí)可能更接近實(shí)際情況。對(duì)于某些器件來(lái)說(shuō)，管芯在其最高結(jié)溫下能夠處理的電流要高于封裝所限定的電流水平，在一些數(shù)據(jù)表，這種“管芯限定”的電流等級(jí)是對(duì)“封裝限定”電流等級(jí)的額外補(bǔ)充信息，可以讓你了解管芯的魯棒性。
 
對(duì)于連續(xù)的功率耗散也要考慮類(lèi)似的情況，功耗耗散不僅取決于溫度，而且取決于導(dǎo)通時(shí)間。設(shè)想一個(gè)器件在TA= 70℃情況下，以PD=4W連續(xù)工作10秒鐘。構(gòu)成“連續(xù)”時(shí)間周期的因素會(huì)根據(jù)MOSFET封裝而變化，所以你要使用數(shù)據(jù)表里的標(biāo)準(zhǔn)化熱瞬態(tài)阻抗圖，看經(jīng)過(guò)10秒、100秒或10分鐘后的功率耗散是什么樣的。如圖3所示，這個(gè)專(zhuān)用器件經(jīng)過(guò)10秒脈沖后的熱阻系數(shù)大約是0.33，這意味著經(jīng)過(guò)大約10分鐘后，一旦封裝達(dá)到熱飽和，器件的散熱能力只有1.33W而不是4W，盡管在良好冷卻的情況下器件的散熱能力可以達(dá)到2W左右。
 
菜鳥(niǎo)選擇MOSFET的四步驟！
圖3   MOSFET在施加功率脈沖情況下的熱阻
 
實(shí)際上，我們可以把MOSFET選型分成四個(gè)步驟。
 
第一步：選用N溝道還是P溝道
 
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MOSFET。在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)MOSFET接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該MOSFET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MOSFET，這是出于對(duì)關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOSFET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MOSFET，這也是出于對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)的考慮?！　?/div>
 
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MOSFET不會(huì)失效。就選擇MOSFET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MOSFET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：確定額定電流　　
 
第二步是選擇MOSFET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MOSFET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，MOSFET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，MOSFET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(chēng)之為導(dǎo)通損耗。MOSFET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)MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會(huì)越小；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)?！　?/div>
 
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(chēng)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。
 
第三步：確定熱要求　　
 
選擇MOSFET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MOSFET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?！　?/div>
 
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。不少公司都有提供其器件測(cè)試的詳情，如飛兆半導(dǎo)體提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”（ Power MOSFET Avalanche Guidelines--可以到Fairchild網(wǎng)站去下載）。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。
 
第四步：決定開(kāi)關(guān)性能
　　
選擇MOSFET的最后一步是決定MOSFET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。MOSFET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?！　?/div>
 
基于開(kāi)關(guān)性能的重要性，新的技術(shù)正在不斷開(kāi)發(fā)以解決這個(gè)開(kāi)關(guān)問(wèn)題。芯片尺寸的增加會(huì)加大柵極電荷；而這會(huì)使器件尺寸增大。為了減少開(kāi)關(guān)損耗，新的技術(shù)如溝道厚底氧化已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生，旨在減少柵極電荷。舉例說(shuō)，SuperFET這種新技術(shù)就可通過(guò)降低RDS(ON)和柵極電荷(Qg)，最大限度地減少傳導(dǎo)損耗和提高開(kāi)關(guān)性能。這樣，MOSFET就能應(yīng)對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程中的高速電壓瞬變(dv/dt)和電流瞬變(di/dt)，甚至可在更高的開(kāi)關(guān)頻率下可靠地工作。
 
 
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