場效應(yīng)管應(yīng)用電路-詳解場效應(yīng)管應(yīng)用電路設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)選型-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-06-29
MOSFET廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路中，和我們的生活密不可分。MOSFET的優(yōu)勢在于：首先驅(qū)動場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路比較簡單。MOSFET需要的驅(qū)動電流比 BJT則小得多，而且通?？梢灾苯佑蒀MOS或者集電極開路TTL驅(qū)動電路驅(qū)動；其次MOSFET的開關(guān)速度比較迅速，能夠以較高的速度工作，因?yàn)闆]有電荷存儲效應(yīng)；另外MOSFET沒有二次擊穿失效機(jī)理，它在溫度越高時往往耐力越強(qiáng)，而且發(fā)生熱擊穿的可能性越低，還可以在較寬的溫度范圍內(nèi)提供較好的性 能。MOSFET已經(jīng)得到了大量應(yīng)用，在消費(fèi)電子、工業(yè)產(chǎn)品、機(jī)電設(shè)備、智能手機(jī)以及其他便攜式數(shù)碼電子產(chǎn)品中隨處可見。
近年來，隨著汽車、通信、能源、消費(fèi)、綠色工業(yè)等大量應(yīng)用MOSFET產(chǎn)品的行業(yè)在近幾年來得到了快速的發(fā)展，功率MOSFET更是備受關(guān)注。據(jù)預(yù)測，2010-2015年中國功率MOSFET市場的總體復(fù)合年度增長率將達(dá)到13.7%。雖然市場研究公司 iSuppli 表示由于宏觀的投資和經(jīng)濟(jì)政策和日本地震帶來的晶圓與原材料供應(yīng)問題，今年的功率MOSFET市場會放緩，但消費(fèi)電子和數(shù)據(jù)處理的需求依然旺盛，因此長期來看，功率MOSFET的增長還是會持續(xù)一段相當(dāng)長的時間。
技術(shù)一直在進(jìn)步，功率MOSFET市場逐漸受到了新技術(shù)的挑戰(zhàn)。例如，業(yè)內(nèi)有不少公司已經(jīng)開始研發(fā)GaN功率器件，并且斷言硅功率MOSFET的性能可提 升的空間已經(jīng)非常有限。不過，GaN 對功率MOSFET市場的挑戰(zhàn)還處于非常初期的階段，MOSFET在技術(shù)成熟度、供應(yīng)量等方面仍然占據(jù)明顯的優(yōu)勢，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，MOSFET市場 也不會輕易被新技術(shù)迅速替代。
五年甚至更長的時間內(nèi)，MOSFET仍會占據(jù)主導(dǎo)的位置。MOSFET也仍將是眾多剛?cè)胄械墓こ處煻紩佑|到的器件，本期半月談將會從基礎(chǔ)開始，探討MOSFET的一些基礎(chǔ)知識，包括選型、關(guān)鍵參數(shù)的介紹、系統(tǒng)和散熱的考慮等等；
MOSFET有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率系統(tǒng)中，MOSFET可被看成電氣開關(guān)。當(dāng)在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時，其開關(guān)導(dǎo) 通。導(dǎo)通時，電流可經(jīng)開關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內(nèi)阻，稱為導(dǎo)通電阻RDS（ON）。必須清楚MOSFET的柵極是個高阻抗端，因此，總 是要在柵極加上一個電壓。如果柵極為懸空，器件將不能按設(shè)計(jì)意圖工作，并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r刻導(dǎo)通或關(guān)閉，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當(dāng)源極和柵極間的電 壓為零時，開關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過器件。雖然這時器件已經(jīng)關(guān)閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即IDSS。
作為電氣系統(tǒng)中的基本部件，工程師如何根據(jù)參數(shù)做出正確選擇呢？本文將討論如何通過四步來選擇正確的MOSFET。
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.在典型的功率場效應(yīng)管應(yīng)用電路應(yīng)用中，當(dāng)一個MOSFET接地，而負(fù)載連接到干線電 壓上時，該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOSFET,這是出于對關(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，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓?fù)渲胁捎肞溝道MOSFET,這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮。
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.設(shè)計(jì)工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關(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。
在連續(xù)導(dǎo)通模式下，MOSFET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。
MOSFET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，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對便攜 式設(shè)計(jì)來說，采用較低的電壓比較容易（較為普遍），而對于工業(yè)設(shè)計(jì)，可采用較高的電壓。注意RDS（ON）電阻會隨著電流輕微上升。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。
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。建議采用針對最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@個結(jié)果提供更大的安全余量，能 確保系統(tǒng)不會失效。在MOSFET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(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。
開關(guān)損耗其實(shí)也是一個很重要的指標(biāo)。從下圖可以看到，導(dǎo)通瞬間的電壓電流乘積相當(dāng)大。一定程度上決定了器件的開關(guān)性能。不過，如果系統(tǒng)對開關(guān)性能要求比較高，可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET。
從定義上而言，這種場效應(yīng)管應(yīng)用電路應(yīng)用需要MOSFET定期導(dǎo)通和關(guān)斷。同時，有數(shù)十種拓?fù)淇捎糜陂_關(guān)電源，這里考慮一個簡單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依靠兩個MOSFET來執(zhí)行開關(guān)功能（下圖），這些開關(guān)交替在電感里存儲能量，然后把能量開釋給負(fù)載。目前，設(shè)計(jì)職員經(jīng)常選擇數(shù)百kHz乃至1 MHz以上的頻率，由于頻率越高，磁性元件可以更小更輕。開關(guān)電源中第二重要的MOSFET參數(shù)包括輸出電容、閾值電壓、柵極阻抗和雪崩能量。
馬達(dá)控制應(yīng)用是功率MOSFET大有用武之地的另一個應(yīng)用領(lǐng)域。典型的半橋式控制場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路采用2個MOSFET （全橋式則采用4個），但這兩個MOSFET的關(guān)斷時間（死區(qū)時間）相等。對于這類應(yīng)用，反向恢復(fù)時間（trr）非常重要。在控制電感式負(fù)載（比如馬達(dá)繞組）時，控制電路把橋式電路中的MOSFET切換到關(guān)斷狀態(tài)，此時橋式電路中的另一個開關(guān)經(jīng)過MOSFET中的體二極管臨時反向傳導(dǎo)電流。于是，電流重新循環(huán)，繼續(xù)為馬達(dá)供電。當(dāng)?shù)谝粋€MOSFET再次導(dǎo)通時，另一個MOSFET二極管中存儲的電荷必須被移除，通過第一個MOSFET放電，而這是一種能量的損耗，故trr 越短，這種損耗越小。
過去的近20年里，汽車用功率MOSFET已經(jīng)得到了長足發(fā)展。選用功率MOSFET是因?yàn)槠淠軌蚰褪芷囯娮酉到y(tǒng)中常遇到的掉載和系統(tǒng)能量突變等引起的 瞬態(tài)高壓現(xiàn)象，且其封裝簡單，主要采用TO220 和 TO247封裝。同時，電動車窗、燃油噴射、間歇式雨刷和巡航控制等應(yīng)用已逐漸成為大多數(shù)汽車的標(biāo)配，在設(shè)計(jì)中需要類似的功率器件。在這期間，隨著電機(jī)、 螺線管和燃油噴射器日益普及，車用功率MOSFET也不斷發(fā)展壯大。
汽車設(shè)備中所用的MOSFET器件涉及廣泛的電壓、電流和導(dǎo)通電阻范圍。電機(jī)控制設(shè)備橋接配置會使用30V和40V擊穿電壓型號；而在必須控制負(fù)載突卸和 突升啟動情況的場合，會使用60V裝置驅(qū)動負(fù)載；當(dāng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移至42V電池系統(tǒng)時，則需采用75V技術(shù)。高輔助電壓的設(shè)備需要使用100V至150V型款；至于400V以上的MOSFET器件則場效應(yīng)管應(yīng)用電路應(yīng)用于發(fā)動機(jī)驅(qū)動器機(jī)組和高亮度放電（HID）前燈的控制場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路。
汽車MOSFET驅(qū)動電流的范圍由2A至100A以上，導(dǎo)通電阻的范圍為2mΩ至100mΩ。MOSFET的負(fù)載包括電機(jī)、閥門、燈、加熱部件、電容性壓電組件和DC/DC電源。開關(guān)頻率的范圍通常為10kHz 至100kHz，必須注意的是，電機(jī)控制不適用開關(guān)頻率在20kHz以上。其它的主要需求是UIS性能，結(jié)點(diǎn)溫度極限下（-40度至175度，有時高達(dá)200度）的工作狀況，以及超越汽車使用壽命的高可靠性。
設(shè)計(jì)LED燈具的時候經(jīng)常要使用MOS管，對LED恒流驅(qū)動而言，一般使用NMOS.功率MOSFET和雙極型晶體管不同，它的柵極電容比較大，在導(dǎo)通之前要先對該電容充電，當(dāng)電容電壓超過閾值電壓（VGS-TH）時MOSFET才開始導(dǎo)通。因此，設(shè)計(jì)時必須注意柵極驅(qū)動器負(fù)載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時間內(nèi)完成對等效柵極電容（CEI）的充電。
而MOSFET的開關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系。使用者雖然無法降低Cin的值，但可以降低柵極驅(qū)動回路信號源內(nèi)阻Rs的值，從而減小柵極回路 的充放電時間常數(shù)，加快開關(guān)速度一般IC驅(qū)動能力主要體現(xiàn)在這里，我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅(qū)動恒流IC。內(nèi)置MOSFET的IC當(dāng)然 不用我們再考慮了，一般大于1A電流會考慮外置MOSFET。為了獲得到更大、更靈活的LED功率能力，外置MOSFET是唯一的選擇方式，IC需要合適 的驅(qū)動能力，MOSFET輸入電容是關(guān)鍵的參數(shù)。下圖Cgd和Cgs是MOSFET等效結(jié)電容。
一般IC的PWM OUT輸出內(nèi)部集成了限流電阻，具體數(shù)值大小同IC的峰值驅(qū)動輸出能力有關(guān)，可以近似認(rèn)為R=Vcc/Ipeak.一般結(jié)合IC驅(qū)動能力 Rg選擇在10-20Ω左右。
一般的場效應(yīng)管應(yīng)用電路應(yīng)用中IC的驅(qū)動可以直接驅(qū)動MOSFET,但是考慮到通常驅(qū)動走線不是直線，感量可能會更大，并且為了防止外部干擾，還是要使用Rg驅(qū)動電阻進(jìn)行抑制。考慮到走線分布電容的影響，這個電阻要盡量靠近MOSFET的柵極。
以上討論的是MOSFET ON狀態(tài)時電阻的選擇，在MOSFET OFF狀態(tài)時為了保證柵極電荷快速瀉放，此時阻值要盡量小。通常為了保證快速瀉放，在Rg上可以并聯(lián)一個二極管。當(dāng)瀉放電阻過小，由于走線電感的原因也會引起諧振（因此有些應(yīng)用中也會在這個二極管上串一個小電阻），但是由于二極管的反向電流不導(dǎo)通，此時Rg又參與反向諧振回路，因此可以抑制反向諧振的尖峰。
估算導(dǎo)通損耗、輸出的要求和結(jié)區(qū)溫度的時候，就可以參考前文所指出的方法。
MOSFET全稱為Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，中文名稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管。隨著制造工藝的成熟，MOSFET兼有體積小、重量輕、耗電省、壽命長等特點(diǎn)。而且MOSFET還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是在大規(guī)模和超大規(guī)模集成場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路中占有重要的地位。
作為一種場效應(yīng)管（FET），MOSFET為單極型器件，即管子只有一種載流子（電子或空穴）導(dǎo)電。從導(dǎo)電載流子的帶電極性來看，MOSFET有N（電子型）溝道和P（空穴型）溝道之分；按照導(dǎo)電溝道形成機(jī)理不同，又有增強(qiáng)型（E型）和耗盡型（D型）的區(qū)別。忽略MOSFET的工作原理，不同類型的管子特性比較如表3所示。
表各種MOSFET的特性比較
由表3中可知，在MOSFET中，N溝道增強(qiáng)型的轉(zhuǎn)移特性有正的開啟電壓 ，P溝道增強(qiáng)型則為負(fù)的；N溝道耗盡型的轉(zhuǎn)移特性有負(fù)的夾斷電壓 ，P溝道耗盡型則為正的。MOSFET的輸出特性曲線與BJT的類似，不同的是輸出端口的漏極電流 由柵源極電壓 控制。因此，MOSFET是一種電壓控制電流的器件，輸出特性的分析也不一樣。
以N溝道增強(qiáng)型MOSFET AO3400A舉例，AO3400A的輸出特性如圖4所示。將曲線圖分為三個區(qū)域，分別為截止區(qū)、可變電阻區(qū)、飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）。
1、截止區(qū)
當(dāng) 時，導(dǎo)電溝道尚未形成， ，為截止工作狀態(tài)。
2、可變電阻區(qū)
當(dāng) 時，MOSFET處于可變電阻區(qū)，此時輸出電阻 受 控制。
3、飽和區(qū)
當(dāng) ，且 時，MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)。 不隨 變化，而是由柵源極電壓控制。
圖AO3400A輸出特性
根據(jù)上述MOSFET的原理敘述，在上面提到的加熱控制電路中應(yīng)該采用N溝道增強(qiáng)型MOSFET代替原有的BJT，這里選擇AO3400A，于是有如圖5所示的MOSFET共源極放大電路。由于MOSFET是電壓控制器件，所以提供合適的柵源極電壓 ，就可以建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路工作在正常狀態(tài)。
圖 MOSFET加熱控制電路
根據(jù)N溝道增強(qiáng)型MOSFET AO3400A的數(shù)據(jù)手冊，AO3400A的開啟電壓在常溫25℃下為 。當(dāng)環(huán)境溫度下降到10℃時，場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路開始工作。此時NTC型熱敏電阻的阻值增大至17.958kΩ，MOSFET導(dǎo)通，即柵源極電壓 ，在這里需要將分壓電阻 的阻值調(diào)整為47kΩ。隨著溫度的下降，柵源極電壓 增大，流過發(fā)熱電阻的電流 也隨著 增大。
舉例說明，當(dāng)環(huán)境溫度下降到-20℃時，熱敏電阻的阻值增大至67.801kΩ，柵源極電壓增大至 。使用萬用表實(shí)測得到漏源極電壓 ，說明MOSFET工作在可變電阻區(qū)內(nèi)；同時測得漏極電流 ，可計(jì)算得到發(fā)熱電阻的功率為 ，實(shí)際發(fā)熱效果可靠，場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路功能實(shí)現(xiàn)。
（1）常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換。
（2）場效應(yīng)管可以用作可變電阻。
（3）應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。
（4）場效應(yīng)管可以方便地用作恒流源。
（5）場效應(yīng)管可以用作電子開關(guān)。
（6）場效應(yīng)管在其輸入端基本不取電流或電流極小，具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡單等特點(diǎn)，在大規(guī)模和超大規(guī)模集成場效應(yīng)管應(yīng)用電路電路中被應(yīng)用。
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