MOS管開關(guān)電源知識-開關(guān)電源上的MOS管選擇方法解析

開關(guān)電源又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個位準的電壓，透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個人電腦，而開關(guān)電源就進行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

MOS管最常見的應(yīng)用可能是電源中的開關(guān)元件，此外，它們對電源輸出也大有裨益。服務(wù)器和通信設(shè)備等應(yīng)用一般都配置有多個并行電源，以支持N+1 冗余與持續(xù)工作 （圖1）。各并行電源平均分擔(dān)負載，確保系統(tǒng)即使在一個電源出現(xiàn)故障的情況下仍然能夠繼續(xù)工作。不過，這種架構(gòu)還需要一種方法把并行電源的輸出連接在一起，并保證某個電源的故障不會影響到其它的電源。在每個電源的輸出端，有一個功率MOS管可以讓眾電源分擔(dān)負載，同時各電源又彼此隔離。起這種作用的MOS管被稱為“ORing”FET，因為它們本質(zhì)上是以 “OR” 邏輯來連接多個電源的輸出。

圖1：用于針對N+1冗余拓撲的并行電源控制的MOS管 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。

低RDS（ON） 可把BOM及PCB尺寸降至最小

一般而言，MOS管制造商采用RDS（ON） 參數(shù)來定義導(dǎo)通阻抗;對ORing FET應(yīng)用來說，RDS（ON） 也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊定義RDS（ON） 與柵極 （或驅(qū)動） 電壓 VGS 以及流經(jīng)開關(guān)的電流有關(guān)，但對于充分的柵極驅(qū)動，RDS（ON） 是一個相對靜態(tài)參數(shù)。

若設(shè)計人員試圖開發(fā)尺寸最小、成本最低的電源，低導(dǎo)通阻抗更是加倍的重要。在電源設(shè)計中，每個電源常常需要多個ORing MOS管并行工作，需要多個器件來把電流傳送給負載。在許多情況下，設(shè)計人員必須并聯(lián)MOS管，以有效降低RDS（ON）。

需謹記，在 DC 電路中，并聯(lián)電阻性負載的等效阻抗小于每個負載單獨的阻抗值。比如，兩個并聯(lián)的2Ω 電阻相當(dāng)于一個1Ω的電阻。因此，一般來說，一個低RDS（ON） 值的MOS管，具備大額定電流，就可以讓設(shè)計人員把電源中所用MOS管的數(shù)目減至最少。

除了RDS（ON）之外，在MOS管的選擇過程中還有幾個MOS管參數(shù)也對電源設(shè)計人員非常重要。許多情況下，設(shè)計人員應(yīng)該密切關(guān)注數(shù)據(jù)手冊上的安全工作區(qū)（SOA）曲線，該曲線同時描述了漏極電流和漏源電壓的關(guān)系。基本上，SOA定義了MOSFET能夠安全工作的電源電壓和電流。在ORing FET應(yīng)用中，首要問題是：在“完全導(dǎo)通狀態(tài)”下FET的電流傳送能力。實際上無需SOA曲線也可以獲得漏極電流值。

若設(shè)計是實現(xiàn)熱插拔功能，SOA曲線也許更能發(fā)揮作用。在這種情況下，MOS管需要部分導(dǎo)通工作。SOA曲線定義了不同脈沖期間的電流和電壓限值。

注意剛剛提到的額定電流，這也是值得考慮的熱參數(shù)，因為始終導(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。另外，日漸升高的結(jié)溫也會導(dǎo)致RDS（ON）的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了熱阻抗參數(shù)，其定義為MOS管封裝的半導(dǎo)體結(jié)散熱能力。RθJC的最簡單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。細言之，在實際測量中其代表從器件結(jié)（對于一個垂直MOS管，即裸片的上表面附近）到封裝外表面的熱阻抗，在數(shù)據(jù)手冊中有描述。若采用PowerQFN封裝，管殼定義為這個大漏極片的中心。因此，RθJC 定義了裸片與封裝系統(tǒng)的熱效應(yīng)。RθJA 定義了從裸片表面到周圍環(huán)境的熱阻抗，而且一般通過一個腳注來標明與PCB設(shè)計的關(guān)系，包括鍍銅的層數(shù)和厚度。

開關(guān)電源中的MOS管　　現(xiàn)在讓我們考慮開關(guān)電源應(yīng)用，以及這種應(yīng)用如何需要從一個不同的角度來審視數(shù)據(jù)手冊。從定義上而言，這種應(yīng)用需要MOS管定期導(dǎo)通和關(guān)斷。同時，有數(shù)十種拓撲可用于開關(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)換器依賴兩個MOS管來執(zhí)行開關(guān)功能（圖2），這些開關(guān)交替在電感里存儲能量，然后把能量釋放給負載。目前，設(shè)計人員常常選擇數(shù)百kHz乃至1 MHz以上的頻率，因為頻率越高，磁性元件可以更小更輕。

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 &TImes;導(dǎo)通阻抗RDS（ON））來評估MOS管或?qū)χM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。

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