電源系統(tǒng)開關(guān)控制器如何選擇MOSFET？-KIA MOS管

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(shì)在于：首先，驅(qū)動(dòng)電路比較簡單——MOSFET需要的驅(qū)動(dòng)電流比BJT小得多，而且通常可以直接由CMOS或者集電極開路TTL驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)；

其次，由于沒有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，MOSFET的開關(guān)速度比較迅速，能夠以較高的速度工作；

另外，MOSFET沒有二次擊穿失效機(jī)理，它在溫度越高時(shí)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。

MOSFET的選型基礎(chǔ)

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(shí)，其開關(guān)導(dǎo)通。

導(dǎo)通時(shí)，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(gè)內(nèi)阻，稱為導(dǎo)通電阻RDS（ON）。必須清楚MOSFET的柵極是個(gè)高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個(gè)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(shí)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(shí)，開關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過器件。雖然這時(shí)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。

1）溝道的選擇。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)開關(guān)。

在低壓側(cè)開關(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。

2）電壓和電流的選擇。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.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(shí)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(gè)最大電流的器件便可。

3）計(jì)算導(dǎo)通損耗。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(huì)隨之按比例變化。

對(duì)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(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。

4）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。

開關(guān)損耗其實(shí)也是一個(gè)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(duì)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。

MOSFET應(yīng)用案例解析

1.開關(guān)電源應(yīng)用

從定義上而言，這種應(yīng)用需要MOSFET定期導(dǎo)通和關(guān)斷。同時(shí)，有數(shù)十種拓?fù)淇捎糜陂_關(guān)電源，這里考慮一個(gè)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(gè)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(chǔ)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1MHz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。

2.電機(jī)控制應(yīng)用

電機(jī)控制應(yīng)用是功率MOSFET大有用武之地的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。典型的半橋式控制電路采用2個(gè)MOSFET（全橋式則采用4個(gè)），但這兩個(gè)MOSFET的關(guān)斷時(shí)間（死區(qū)時(shí)間）相等。

對(duì)于這類應(yīng)用，反向恢復(fù)時(shí)間（trr）非常重要。在控制電感式負(fù)載（比如電機(jī)繞組）時(shí)，控制電路把橋式電路中的MOSFET切換到關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)橋式電路中的另一個(gè)開關(guān)經(jīng)過MOSFET中的體二極管臨時(shí)反向傳導(dǎo)電流。

于是，電流重新循環(huán)，繼續(xù)為電機(jī)供電。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)MOSFET再次導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)MOSFET二極管中存儲(chǔ)的電荷必須被移除，通過第一個(gè)MOSFET放電，而這是一種能量的損耗，故trr越短，這種損耗越小。

3.汽車應(yīng)用

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(shí)，電動(dòng)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(huì)使用30V和40V擊穿電壓型號(hào)；而在必須控制負(fù)載突卸和突升啟動(dòng)情況的場合，會(huì)使用60V裝置驅(qū)動(dòng)負(fù)載；

當(dāng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移至42V電池系統(tǒng)時(shí)，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器件則應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器機(jī)組和高亮度放電（HID）前燈的控制電路。

汽車MOSFET驅(qū)動(dòng)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(shí)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。

4.LED燈具的驅(qū)動(dòng)

設(shè)計(jì)LED燈具的時(shí)候經(jīng)常要使用MOS管，對(duì)LED恒流驅(qū)動(dòng)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(duì)該電容充電，當(dāng)電容電壓超過閾值電壓（VGS-TH）時(shí)MOSFET才開始導(dǎo)通。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意柵極驅(qū)動(dòng)器負(fù)載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)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(dòng)回路信號(hào)源內(nèi)阻Rs的值，從而減小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度一般IC驅(qū)動(dòng)能力主要體現(xiàn)在這里，我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅(qū)動(dòng)恒流IC。

內(nèi)置MOSFET的IC當(dāng)然不用我們?cè)倏紤]了，一般大于1A電流會(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)能力Rg選擇在10-20Ω左右。

一般的應(yīng)用中IC的驅(qū)動(dòng)可以直接驅(qū)動(dòng)MOSFET,但是考慮到通常驅(qū)動(dòng)走線不是直線，感量可能會(huì)更大，并且為了防止外部干擾，還是要使用Rg驅(qū)動(dòng)電阻進(jìn)行抑制?？紤]到走線分布電容的影響，這個(gè)電阻要盡量靠近MOSFET的柵極。

以上討論的是MOSFET ON狀態(tài)時(shí)電阻的選擇，在MOSFET OFF狀態(tài)時(shí)為了保證柵極電荷快速瀉放，此時(shí)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(gè)二極管。當(dāng)瀉放電阻過小，由于走線電感的原因也會(huì)引起諧振（因此有些應(yīng)用中也會(huì)在這個(gè)二極管上串一個(gè)小電阻），但是由于二極管的反向電流不導(dǎo)通，此時(shí)Rg又參與反向諧振回路，因此可以抑制反向諧振的尖峰。

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