揭秘高效電源如何選擇合適的MOS管及方法詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-09-16
在ORing FET應(yīng)用中，MOS管的作用是開關(guān)器件，但是由于服務(wù)器類應(yīng)用中電源不間斷工作，這個開關(guān)實際上始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。其開關(guān)功能只發(fā)揮在啟動和關(guān)斷，以及電源出現(xiàn)故障之時 。
相比從事以開關(guān)為核心應(yīng)用的設(shè)計人員，ORing FET應(yīng)用設(shè)計人員顯然必需關(guān)注MOS管的不同特性。以服務(wù)器為例，在正常工作期間，MOS管只相當(dāng)于一個導(dǎo)體。因此，ORing FET應(yīng)用設(shè)計人員最關(guān)心的是最小傳導(dǎo)損耗。
顯然，電源設(shè)計相當(dāng)復(fù)雜，而且也沒有一個簡單的公式可用于MOS管的評估。但我們不妨考慮一些關(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)計人員都采用一個綜合品質(zhì)因數(shù)(柵極電荷QG ×導(dǎo)通阻抗RDS(ON))來評估MOS管或?qū)χM行等級劃分。
柵極電荷和導(dǎo)通阻抗之所以重要，是因為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形式--傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。
柵極電荷是產(chǎn)生開關(guān)損耗的主要原因。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)計和制造工藝中相互關(guān)聯(lián)，一般來說，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。
某些特殊的拓撲也會改變不同MOS管參數(shù)的相關(guān)品質(zhì)，例如，可以把傳統(tǒng)的同步降壓轉(zhuǎn)換器與諧振轉(zhuǎn)換器做比較。諧振轉(zhuǎn)換器只在VDS (漏源電壓)或ID (漏極電流)過零時才進行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) 在這類拓撲中顯得更加重要。
低輸出電容(COSS)值對這兩類轉(zhuǎn)換器都大有好處。諧振轉(zhuǎn)換器中的諧振電路主要由變壓器的漏電感與COSS決定。此外，在兩個MOS管關(guān)斷的死區(qū)時間內(nèi)，諧振電路必須讓COSS完全放電。
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)，不過原因不同。因為每個硬開關(guān)周期存儲在輸出電容中的能量會丟失，反之在諧振轉(zhuǎn)換器中能量反復(fù)循環(huán)。因此，低輸出電容對于同步降壓調(diào)節(jié)器的低邊開關(guān)尤其重要。
在電源電路應(yīng)用中，往往首先考慮漏源電壓VDS的選擇。在此上的基本原則為MOSFET實際工作環(huán)境中的最大峰值漏源極間的電壓不大于器件規(guī)格書中標稱漏源擊穿電壓的 90% 。
即：
VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS
注：一般地， V(BR)DSS 具有正溫度系數(shù)。故應(yīng)取設(shè)備最低工作溫度條件下之 V(BR)DSS 值作為參考。
其次考慮漏極電流的選擇?；驹瓌t為MOSFET實際工作環(huán)境中的最大周期漏極電流不大于規(guī)格書中標稱最大漏源電流的90%；漏極脈沖電流峰值不大于規(guī)格書中標稱漏極脈沖電流峰值的 90% 。
即：
ID_max ≤ 90% * ID
ID_pulse ≤ 90% * IDP
注：一般地，ID_max及ID_pulse具有負溫度系數(shù)，故應(yīng)取器件在最大結(jié)溫條件下之ID_max及ID_pulse值作為參考。器件此參數(shù)的選擇是極為不確定的—主要是受工作環(huán)境，散熱技術(shù)，器件其它參數(shù)（如導(dǎo)通電阻，熱阻等）等相互制約影響所致。最終的判定依據(jù)是結(jié)點溫度（即如下第六條之“耗散功率約束”）。根據(jù)經(jīng)驗，在實際應(yīng)用中規(guī)格書目中之ID會比實際最大工作電流大數(shù)倍，這是因為散耗功率及溫升之限制約束。在初選計算時期還須根據(jù)下面第六條的散耗功率約束不斷調(diào)整此參數(shù)。建議初選于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max 。
MOSFEF的驅(qū)動要求由其柵極總充電電量（Qg）參數(shù)決定。在滿足其它參數(shù)要求的情況下，盡量選擇Qg小者以便驅(qū)動電路的設(shè)計。驅(qū)動電壓選擇在保證遠離最大柵源電壓（ VGSS ）前提下使 Ron 盡量小的電壓值（一般使用器件規(guī)格書中的建議值）
小的 Ron 值有利于減小導(dǎo)通期間損耗，小的 Rth 值可減小溫度差（同樣耗散功率條件下），故有利于散熱。
MOSFET 損耗計算主要包含如下 8 個部分：
即：
PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover
詳細計算公式應(yīng)根據(jù)具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應(yīng)用場合，還要考慮體內(nèi)二極管正向?qū)ㄆ陂g的損耗和轉(zhuǎn)向截止時的反向恢復(fù)損耗。損耗計算可參考下文的“MOS管損耗的8個組成部分”部分。
器件穩(wěn)態(tài)損耗功率 PD,max 應(yīng)以器件最大工作結(jié)溫度限制作為考量依據(jù)。如能夠預(yù)先知道器件工作環(huán)境溫度，則可以按如下方法估算出最大的耗散功率：
即：
PD,max ≤（ Tj,max - Tamb ）/ Rθj-a
其中Rθj-a是器件結(jié)點到其工作環(huán)境之間的總熱阻包括Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance等。如其間還有絕緣材料還須將其熱阻考慮進去。
在當(dāng)今的開關(guān)電源設(shè)備中，MOS管的特性、寄生參數(shù)和散熱條件都會對MOS管的工作性能產(chǎn)生重大影響。因此深入了解功率MOS管的工作原理和關(guān)鍵參數(shù)對電源設(shè)計工程師至關(guān)重要。
目前，影響開關(guān)電源電源效率最大的兩個損耗因素是：導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，以下分別對這兩種損耗做具體分析。
1、導(dǎo)通損耗
導(dǎo)通損耗具體來講是由MOS管的導(dǎo)通阻抗Rds產(chǎn)生的，Rds與柵極驅(qū)動電壓Vgs和流經(jīng)MOS管的電流有關(guān)。如果想要設(shè)計出效率更高、體積更小的電源，必須充分降低導(dǎo)通阻抗。如圖1所示是導(dǎo)通阻抗Rds、Vgs和Id的曲線圖：
2、開關(guān)損耗
柵極電荷Qg是產(chǎn)生開關(guān)損耗的主要原因。柵極電荷是MOS管門極充放電所需的能量，相同電流、電壓規(guī)格的MOSFET，具有比較大的柵極電荷意味著在MOS開關(guān)過程中會損耗更多的能量。所以，為了盡可能降低MOS管的開關(guān)損耗，工程師在電源設(shè)計過程中需要選擇同等規(guī)格下Qg更低的MOS管作為主功率開關(guān)管。如圖2所示是柵極電荷Qg與Vgs的曲線圖：
3、MOS管選型
針對開關(guān)電源的應(yīng)用，美國中央半導(dǎo)體（Central Semi）推出了一系列低Rds和Qg的功率MOSFET。代表型號為CDM2205-800FP，該MOS管具有以下性能優(yōu)勢：
? 最大耐壓為800V
? 最大連續(xù)電流5A
? 導(dǎo)通阻抗低至2.2Ω
? 柵極電荷Qg僅為17.4nC
如圖3所示是CDM2205-800FP在反激開關(guān)電源中的應(yīng)用。在電源設(shè)計器件選型中，首先根據(jù)電源的輸入電壓，確定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。然后需要確定 MOS管的額定電流，該額定電流應(yīng)該是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。確保所選擇的MOS管能夠承受連續(xù)電流和脈沖尖峰。
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