如何選擇mos管-教你用四種方法合理選擇mos管-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-09-12
正確選擇MOS管是很重要的一個環(huán)節(jié)，MOS管選擇不好有可能影響到整個電路的效率和成本，了解不同的MOS管部件的細微差別及不同開關(guān)電路中的應(yīng)力能夠幫助工程師避免諸多問題，下面我們來學習下如何選擇mos管正確方法。
為設(shè)計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，當一個MOS管接地，而負載連接到干線電壓上時，該MOS管就構(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MOS管，這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當MOS管連接到總線及負載接地時，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOS管，這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮。
要選擇適合應(yīng)用的器件，必須確定驅(qū)動器件所需的電壓，以及在設(shè)計中最簡易執(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)實踐經(jīng)驗，額定電壓應(yīng)當大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOS管不會失效。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隨溫度而變化這點十分重要。設(shè)計人員必須在整個工作溫度范圍內(nèi)測試電壓的變化范圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個變化范圍，確保電路不會失效。設(shè)計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)計人員必須確保所選的MOS管能承受這個額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導通模式下，MOS管處于穩(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。
選好額定電流后，還必須計算導通損耗。在實際情況下，MOS管并不是理想的器件，因為在導電過程中會有電能損耗，這稱之為導通損耗。MOS管在“導通”時就像一個可變電阻，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)計算，由于導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOS管施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會越小；反之RDS(ON)就會越高。對系統(tǒng)設(shè)計人員來說，這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方。對便攜式設(shè)計來說，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對于工業(yè)設(shè)計，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。
技術(shù)對器件的特性有著重大影響，因為有些技術(shù)在提高最大VDS時往往會使RDS(ON)增大。對于這樣的技術(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，晶片中嵌入了一個深溝，通常是為低電壓預(yù)留的，用于降低導通電阻RDS(ON)。為了減少最大VDS對RDS(ON)的影響，開發(fā)過程中采用了外延生長柱/蝕刻柱工藝。例如，飛兆半導體開發(fā)了稱為SupeRFET的技術(shù)，針對RDS(ON)的降低而增加了額外的制造步驟。這種對RDS(ON)的關(guān)注十分重要，因為當標準MOSFET的擊穿電壓升高時，RDS(ON)會隨之呈指數(shù)級增加，并且導致晶片尺寸增大。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，甚至在擊穿電壓達到600V的情況下，實現(xiàn)理想的低RDS(ON)。結(jié)果是晶片尺寸可減小達35%。而對于最終用戶來說，這意味著封裝尺寸的大幅減小。
如何選擇mos管的下一步是計算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結(jié)果，因為這個結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會失效。在MOS管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)計人員已確定將要通過器件的最大電流，因此可以計算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是，在處理簡單熱模型時，設(shè)計人員還必須考慮半導體結(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立即升溫。
雪崩擊穿是指半導體器件上的反向電壓超過最大值，并形成強電場使器件內(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。半導體公司都會對器件進行雪崩測試，計算其雪崩電壓，或?qū)ζ骷姆€(wěn)健性進行測試。計算額定雪崩電壓有兩種方法；一是統(tǒng)計法，另一是熱計算。而熱計算因為較為實用而得到廣泛采用。除計算外，技術(shù)對雪崩效應(yīng)也有很大影響。例如，晶片尺寸的增加會提高抗雪崩能力，最終提高器件的穩(wěn)健性。對最終用戶而言，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管的開關(guān)性能。影響開關(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。這些電容會在器件中產(chǎn)生開關(guān)損耗，因為在每次開關(guān)時都要對它們充電。MOS管的開關(guān)速度因此被降低，器件效率也下降。為計算開關(guān)過程中器件的總損耗，設(shè)計人員必須計算開通過程中的損耗(Eon)和關(guān)閉過程中的損耗(Eoff)。MOSFET開關(guān)的總功率可用如下方程表達：Psw=(Eon+Eoff)×開關(guān)頻率。而柵極電荷(Qgd)對開關(guān)性能的影響最大。
在了解如何選擇mos管后，接下來會講到mos管的導通條件及導通過程，導通與截止由柵源電壓來控制，對于增強型場效應(yīng)管來說，N溝道的管子加正向電壓即導通，P溝道的管子則加反向電壓。一般2V～4V就可以了。但是，場效應(yīng)管分為增強型（常開型）和耗盡型（常閉型），增強型的管子是需要加電壓才能導通的，而耗盡型管子本來就處于導通狀態(tài)，加柵源電壓是為了使其截止。
開關(guān)只有兩種狀態(tài)通和斷，三極管和場效應(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時表示開。開關(guān)電路用于數(shù)字電路時，輸出電位接近0V時表示0，輸出電位接近電源電壓時表示1。所以數(shù)字集成電路內(nèi)部的晶體管都工作在開關(guān)狀態(tài)。 場效應(yīng)管按溝道分可分為Ｎ溝道和Ｐ溝道管（在符號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型，一般主板上大多是絕緣柵型管簡稱MOS管，并且大多采用增強型的Ｎ溝道，其次是增強型的Ｐ溝道，結(jié)型管和耗盡型管幾乎不用。場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡稱場效應(yīng)管.由多數(shù)載流子參與導電,也稱為單極型晶體管.它屬于電壓控制型半導體器件.場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導電,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)載流子導電,被稱之為雙極型器件.有些場效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用,柵壓也可正可負,靈活性比晶體管好。
導通時序可分為to~t1、t1~t2、 t2~t3 、t3~t4四個時間段，這四個時間段有不同的等效電路。
1）t0-t1：C GS1 開始充電，柵極電壓還沒有到達V GS（th），導電溝道沒有形成，MOSFET仍處于關(guān)閉狀態(tài)。
2）[t1-t2]區(qū)間, GS間電壓到達Vgs（th），DS間導電溝道開始形成，MOSFET開啟，DS電流增加到ID, Cgs2 迅速充電，Vgs由Vgs（th）指數(shù)增長到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，由于C gd 電容急劇增大，抑制了柵極電壓對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時刻,MOSFET的DS電壓降至飽和導通時的電壓,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)動電壓充電, Cgs 電容的電壓上升,至t4時刻為止.此時C gs 電容電壓已達穩(wěn)態(tài),DS間電壓也達最小，MOSFET完全開啟。
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