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電路中的應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管就構成了低壓側開關。在低壓側開關中，應采用N溝道MOS管，這是出于對關閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOS管連接到總線及負載接地時，就要用高壓側開關。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動的考慮。
要選擇適合應用的器件，必須確定驅動器件所需的電壓，以及在設計中最簡易執(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。設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關電子設備(如電機或變壓器)誘發(fā)的電壓瞬變。不同應用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設備為20V、FPGA電源為20～30V、85～220VAC應用為450～600V。
第二步是選擇MOS管的額定電流。視電路結構而定，該額定電流應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??；反之RDS(ON)就會越高。對系統(tǒng)設計人員來說，這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來說，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資料表中查到。
技術對器件的特性有著重大影響，因為有些技術在提高最大VDS時往往會使RDS(ON)增大。對于這樣的技術，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，其中最主要的是溝道和電荷平衡技術。
在溝道技術中，晶片中嵌入了一個深溝，通常是為低電壓預留的，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，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)關系變成了線性關系。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果，因為這個結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與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結溫。
器件的結溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結溫=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，設計人員還必須考慮半導體結/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，或對器件的穩(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，技術對雪崩效應也有很大影響。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管的開關性能。影響開關性能的參數(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)生開關損耗，因為在每次開關時都要對它們充電。MOS管的開關速度因此被降低，器件效率也下降。為計算開關過程中器件的總損耗，設計人員必須計算開通過程中的損耗(Eon)和關閉過程中的損耗(Eoff)。MOSFET開關的總功率可用如下方程表達：Psw=(Eon+Eoff)×開關頻率。而柵極電荷(Qgd)對開關性能的影響最大。
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。
開關只有兩種狀態(tài)通和斷，三極管和場效應管工作有三種狀態(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)的電路稱之為開關電路，一般以晶體管截止，集電極不吸收電流表示關；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狀態(tài)。 場效應管按溝道分可分為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，結型管和耗盡型管幾乎不用。場效應晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡稱場效應管.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，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效應影響變小，Cgd 電容變小并和Cgs 電容一起由外部驅動電壓充電, 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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