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應用中，MOS管的作用是開關器件，但是由于服務器類應用中電源不間斷工作，這個開關實際上始終處于導通狀態。其開關功能只發揮在啟動和關斷，以及電源出現故障之時 。
相比從事以開關為核心應用的設計人員，ORing FET應用設計人員顯然必需關注MOS管的不同特性。以服務器為例，在正常工作期間，MOS管只相當于一個導體。因此，ORing FET應用設計人員最關心的是最小傳導損耗。
顯然，電源設計相當復雜，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鍵的參數，以及這些參數為什么至關重要。傳統上，許多電源設計人員都采用一個綜合品質因數(柵極電荷QG ×導通阻抗RDS(ON))來評估MOS管或對之進行等級劃分。
柵極電荷和導通阻抗之所以重要，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--傳導損耗和開關損耗。
柵極電荷是產生開關損耗的主要原因。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。柵極電荷和導通阻抗RDS(ON) 在半導體設計和制造工藝中相互關聯，一般來說，器件的柵極電荷值較低，其導通阻抗參數就稍高。開關電源中第二重要的MOS管參數包括輸出電容、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管參數的相關品質，例如，可以把傳統的同步降壓轉換器與諧振轉換器做比較。諧振轉換器只在VDS (漏源電壓)或ID (漏極電流)過零時才進行MOS管開關，從而可把開關損耗降至最低。這些技術被成為軟開關或零電壓開關(ZVS)或零電流開關(ZCS)技術。由于開關損耗被最小化，RDS(ON) 在這類拓撲中顯得更加重要。
低輸出電容(COSS)值對這兩類轉換器都大有好處。諧振轉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管關斷的死區時間內，諧振電路必須讓COSS完全放電。
低輸出電容也有利于傳統的降壓轉換器(有時又稱為硬開關轉換器)，不過原因不同。因為每個硬開關周期存儲在輸出電容中的能量會丟失，反之在諧振轉換器中能量反復循環。因此，低輸出電容對于同步降壓調節器的低邊開關尤其重要。
在電源電路應用中，往往首先考慮漏源電壓VDS的選擇。在此上的基本原則為MOSFET實際工作環境中的最大峰值漏源極間的電壓不大于器件規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。故應取設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。基本原則為MOSFET實際工作環境中的最大周期漏極電流不大于規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，故應取器件在最大結溫條件下之ID_max及ID_pulse值作為參考。器件此參數的選擇是極為不確定的—主要是受工作環境，散熱技術，器件其它參數（如導通電阻，熱阻等）等相互制約影響所致。最終的判定依據是結點溫度（即如下第六條之“耗散功率約束”）。根據經驗，在實際應用中規格書目中之ID會比實際最大工作電流大數倍，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下面第六條的散耗功率約束不斷調整此參數。建議初選于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max 。
MOSFEF的驅動要求由其柵極總充電電量（Qg）參數決定。在滿足其它參數要求的情況下，盡量選擇Qg小者以便驅動電路的設計。驅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（一般使用器件規格書中的建議值）
小的 Ron 值有利于減小導通期間損耗，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
詳細計算公式應根據具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應用場合，還要考慮體內二極管正向導通期間的損耗和轉向截止時的反向恢復損耗。損耗計算可參考下文的“MOS管損耗的8個組成部分”部分。
器件穩態損耗功率 PD,max 應以器件最大工作結溫度限制作為考量依據。如能夠預先知道器件工作環境溫度，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是器件結點到其工作環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。
在當今的開關電源設備中，MOS管的特性、寄生參數和散熱條件都會對MOS管的工作性能產生重大影響。因此深入了解功率MOS管的工作原理和關鍵參數對電源設計工程師至關重要。
目前，影響開關電源電源效率最大的兩個損耗因素是：導通損耗和開關損耗，以下分別對這兩種損耗做具體分析。
1、導通損耗
導通損耗具體來講是由MOS管的導通阻抗Rds產生的，Rds與柵極驅動電壓Vgs和流經MOS管的電流有關。如果想要設計出效率更高、體積更小的電源，必須充分降低導通阻抗。如圖1所示是導通阻抗Rds、Vgs和Id的曲線圖：
2、開關損耗
柵極電荷Qg是產生開關損耗的主要原因。柵極電荷是MOS管門極充放電所需的能量，相同電流、電壓規格的MOSFET，具有比較大的柵極電荷意味著在MOS開關過程中會損耗更多的能量。所以，為了盡可能降低MOS管的開關損耗，工程師在電源設計過程中需要選擇同等規格下Qg更低的MOS管作為主功率開關管。如圖2所示是柵極電荷Qg與Vgs的曲線圖：
3、MOS管選型
針對開關電源的應用，美國中央半導體（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管具有以下性能優勢：
? 最大耐壓為800V
? 最大連續電流5A
? 導通阻抗低至2.2Ω
? 柵極電荷Qg僅為17.4nC
如圖3所示是CDM2205-800FP在反激開關電源中的應用。在電源設計器件選型中，首先根據電源的輸入電壓，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管能夠承受連續電流和脈沖尖峰。
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