中心議題：

• 為具體應用恰當的選擇MOSFET的技巧

解決方案：

• 低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺寸降至最小
• 開(kāi)關(guān)電源中的MOSFET需評估綜合品質(zhì)因數等六大要素
• 馬達控制應用的MOSFET需全面的考慮

鑒于MOSFET技術(shù)的成熟，為設計選擇一款MOSFET表面上看是十分簡(jiǎn)單的事情。雖然工程師都熟諳MOSFET數據手冊上的品質(zhì)因數，但為了選擇出合適的MOSFET，工程師必需利用自己的專(zhuān)業(yè)知識對各個(gè)具體應用的不同規格進(jìn)行全面仔細的考慮。例如，對于服務(wù)器電源中的負載開(kāi)關(guān)這類(lèi)應用，由于 MOSFET基本上一直都是處于導通狀態(tài)，故MOSFET的開(kāi)關(guān)特性無(wú)關(guān)緊要，而導通阻抗(RDS(ON))卻可能是這種應用的關(guān)鍵品質(zhì)因數。然而，仍然有一些應用，比如開(kāi)關(guān)電源，把MOSFET用作有源開(kāi)關(guān)，因此工程師必須評估其它的MOSFET性能參數。下面讓我們考慮一些應用及其MOSFET規格參數的優(yōu)先順序。

MOSFET最常見(jiàn)的應用可能是電源中的開(kāi)關(guān)元件，此外，它們對電源輸出也大有裨益。服務(wù)器和通信設備等應用一般都配置有多個(gè)并行電源，以支持N+1 冗余與持續工作 (圖 1)。各并行電源平均分擔負載，確保系統即使在一個(gè)電源出現故障的情況下仍然能夠繼續工作。不過(guò)，這種架構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(gè)電源的故障不會(huì )影響到其它的電源。在每個(gè)電源的輸出端，有一個(gè)功率MOSFET可以讓眾電源分擔負載，同時(shí)各電源又彼此隔離 。起這種作用的MOSFET 被稱(chēng)為"ORing"FET，因為它們本質(zhì)上是以 "OR" 邏輯來(lái)連接多個(gè)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MOSFET。

在ORing FET應用中，MOSFET的作用是開(kāi)關(guān)器件，但是由于服務(wù)器類(lèi)應用中電源不間斷工作，這個(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)際上始終處于導通狀態(tài)。其開(kāi)關(guān)功能只發(fā)揮在啟動(dòng)和關(guān)斷，以及電源出現故障之時(shí) 。

相比從事以開(kāi)關(guān)為核心應用的設計人員，ORing FET應用設計人員顯然必需關(guān)注MOSFET的不同特性。以服務(wù)器為例，在正常工作期間，MOSFET只相當于一個(gè)導體。因此，ORing FET應用設計人員最關(guān)心的是最小傳導損耗。

低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺寸降至最小

一般而言，MOSFET 制造商采用RDS(ON) 參數來(lái)定義導通阻抗；對ORing FET應用來(lái)說(shuō)，RDS(ON) 也是最重要的器件特性。數據手冊定義RDS(ON) 與柵極 (或驅動(dòng)) 電壓 VGS 以及流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流有關(guān)，但對于充分的柵極驅動(dòng)，RDS(ON) 是一個(gè)相對靜態(tài)參數。例如，飛兆半導體 FDMS7650 的數據手冊規定，對于10V 的柵極驅動(dòng)，最大RDS(ON) 為0.99 mΩ。

若設計人員試圖開(kāi)發(fā)尺寸最小、成本最低的電源，低導通阻抗更是加倍的重要。在電源設計中，每個(gè)電源常常需要多個(gè)ORing MOSFET并行工作，需要多個(gè)器件來(lái)把電流傳送給負載。在許多情況下，設計人員必須并聯(lián)MOSFET，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(gè)負載單獨的阻抗值。比如，兩個(gè)并聯(lián)的2Ω 電阻相當于一個(gè)1Ω的電阻 。因此，一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)低RDS(ON) 值的MOSFET，具備大額定電流，就可以讓設計人員把電源中所用MOSFET的數目減至最少。

除了RDS(ON)之外，在MOSFET的選擇過(guò)程中還有幾個(gè)MOSFET參數也對電源設計人員非常重要。許多情況下，設計人員應該密切關(guān)注數據手冊上的安全工作區(SOA)曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)同時(shí)描述了漏極電流和漏源電壓的關(guān)系?；旧?，SOA定義了MOSFET能夠安全工作的電源電壓和電流。在 ORing FET應用中，首要問(wèn)題是：在"完全導通狀態(tài)"下FET的電流傳送能力。實(shí)際上無(wú)需SOA曲線(xiàn)也可以獲得漏極電流值。再以FDMS7650為例，該器件的額定電流為36A，故非常適用于服務(wù)器應用中所采用的典型DC-DC電源。

若設計是實(shí)現熱插拔功能，SOA曲線(xiàn)也許更能發(fā)揮作用。在這種情況下，MOSFET需要部分導通工作。SOA曲線(xiàn)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，因為始終導通的MOSFET很容易發(fā)熱。另外，日漸升高的結溫也會(huì )導致RDS(ON)的增加。 MOSFET數據手冊規定了熱阻抗參數，其定義為MOSFET封裝的半導體結散熱能力。RθJC的最簡(jiǎn)單的定義是結到管殼的熱阻抗。細言之，在實(shí)際測量中其代表從器件結(對于一個(gè)垂直MOSFET，即裸片的上表面附近)到封裝外表面的熱阻抗，在數據手冊中有描述。若采用PowerQFN封裝，管殼定義為這個(gè)大漏極片的中心。因此，RθJC 定義了裸片與封裝系統的熱效應。RθJA 定義了從裸片表面到周?chē)h(huán)境的熱阻抗，而且一般通過(guò)一個(gè)腳注來(lái)標明與PCB設計的關(guān)系，包括鍍銅的層數和厚度。

總而言之，RθJC在電源設計團隊的控制范圍以外，因為它是由所采用的器件封裝技術(shù)決定。先進(jìn)的熱性能增強型封裝，比如飛兆半導體的Power 56，其RθJC 規格在1 和 2 oC/W之間，FDMS7650 的規格為 1.2 oC/W。設計團隊可以通過(guò)PCB設計來(lái)改變 RθJA 。最終，一個(gè)穩健的熱設計有助于提高系統可靠性， 延長(cháng)系統平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)。

開(kāi)關(guān)電源中的MOSFET

現在讓我們考慮開(kāi)關(guān)電源應用，以及這種應用如何需要從一個(gè)不同的角度來(lái)審視數據手冊。從定義上而言，這種應用需要MOSFET定期導通和關(guān)斷。同時(shí)，有數十種拓撲可用于開(kāi)關(guān)電源，這里考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉換器依賴(lài)兩個(gè)MOSFET來(lái)執行開(kāi)關(guān)功能(圖 2)，這些開(kāi)關(guān)交替在電感里存儲能量，然后把能量釋放給負載。目前，設計人員常常選擇數百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。[page]
                           
                                     圖2：用于開(kāi)關(guān)電源應用的MOSFET對。（DC-DC控制器）

顯然，電源設計相當復雜，而且也沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的公式可用于MOSFET的評估。但我們不妨考慮一些關(guān)鍵的參數，以及這些參數為什么至關(guān)重要。傳統上，許多電源設計人員都采用一個(gè)綜合品質(zhì)因數(柵極電荷QG ×導通阻抗RDS(ON))來(lái)評估MOSFET或對之進(jìn)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(kāi)關(guān)損耗。

柵極電荷是產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗的主要原因。柵極電荷單位為納庫侖(nc)，是MOSFET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(guān)聯(lián)，一般來(lái)說(shuō)，器件的柵極電荷值較低，其導通阻抗參數就稍高。

開(kāi)關(guān)電源中第二重要的MOSFET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(huì )改變不同MOSFET參數的相關(guān)品質(zhì)，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(guò)零時(shí)才進(jìn)行MOSFET開(kāi)關(guān)，從而可把開(kāi)關(guān)損耗降至最低。這些技術(shù)被成為軟開(kāi)關(guān)或零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)或零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)技術(shù)。由于開(kāi)關(guān)損耗被最小化，RDS(ON) 在這類(lèi)拓撲中顯得更加重要。

低輸出電容(COSS)值對這兩類(lèi)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(gè)MOSFET關(guān)斷的死區時(shí)間內，諧振電路必須讓COSS完全放電。因此，諧振拓撲很看重較低的COSS?？紤]圖3所示的飛兆半導體FDMS7650的COSS與VDS的關(guān)系圖。
                     
                                       圖3：FDMS7650的COSS與VDS的關(guān)系圖。

低輸出電容也有利于傳統的降壓轉換器(有時(shí)又稱(chēng)為硬開(kāi)關(guān)轉換器)，不過(guò)原因不同。因為每個(gè)硬開(kāi)關(guān)周期存儲在輸出電容中的能量會(huì )丟失，反之在諧振轉換器中能量反復循環(huán)。因此，低輸出電容對于同步降壓調節器的低邊開(kāi)關(guān)尤其重要。

馬達控制應用的MOSFET

馬達控制應用是功率MOSFET大有用武之地的另一個(gè)應用領(lǐng)域，這時(shí)最重要的選擇基準可能又與其它大不相同。不同于現代開(kāi)關(guān)電源，馬達控制電路不在高頻下開(kāi)關(guān)。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(死區時(shí)間)相等。對于這類(lèi)應用，反向恢復時(shí)間(trr) 非常重要。在控制電感式負載(比如馬達繞組)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(kāi)關(guān)經(jīng)由MOSFET中的體二極管臨時(shí)反向傳導電流。于是，電流重新循環(huán)，繼續為馬達供電。當第一個(gè)MOSFET再次導通時(shí)，另一個(gè)MOSFET二極管中存儲的電荷必須被移除，通過(guò)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。

所以，若設計團隊需要在電源電路采用MOSFET，在評估過(guò)程開(kāi)始之前，需對手中的應用進(jìn)行仔細全面的考慮。應根據自己的需求而非制造商吹噓的特定規格來(lái)對各項參數進(jìn)行優(yōu)先級劃分。

補充：利用IC和封裝設計獲得最小的 RDS(ON) 規格

在MOSFET的選擇過(guò)程中，評估參數的設計人員一般通過(guò)仔細分析相關(guān)規格來(lái)了解自己到底需要什么。但有時(shí)深入了解IC制造商如何提供工作特性是很有必要的。以RDS(ON)為例，你也許通常期望該規格只與器件的設計及半導體制造工藝有關(guān)。但實(shí)際上，封裝設計對導通阻抗RDS(ON) 的最小化有著(zhù)巨大的影響。

封裝對RDS(ON)的作用巨大是因為該參數主要取決于傳導損耗，而封裝無(wú)疑可以影響傳導損耗?？紤]本文正文提及的飛兆半導體FDMS7650 和1mΩ導通阻抗。該器件能獲得較低RDS(ON) 值，大約一半原因可歸結于封裝設計。其封裝采用一種堅固的銅夾技術(shù)取代常用的鋁或金鍵合引線(xiàn)來(lái)連接源極和引線(xiàn)框架。這種方案把封裝阻抗降至最小，并降低了源極電感，源極電感是開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生振鈴的主要原因。