選擇到一款正確的MOS管，可以很好地控制生產(chǎn)制造成本，最為重要的是，為產(chǎn)品匹配了一款最恰當的元器件，這在產(chǎn)品未來(lái)的使用過(guò)程中，將會(huì )充分發(fā)揮其“螺絲釘”的作用，確保設備得到最高效、最穩定、最持久的應用效果。

 

那么面對市面上琳瑯滿(mǎn)目的MOS管，該如何選擇呢？下面，我們就分7個(gè)步驟來(lái)闡述MOS管的選型要求。

 

首先是確定N、P溝道的選擇

 

MOS管有兩種結構形式，即N溝道型和P溝道型，結構不一樣，使用的電壓極性也會(huì )不一樣，因此，在確定選擇哪種產(chǎn)品前，首先需要確定采用N溝道還是P溝道MOS管。

 

MOS管的兩種結構：N溝道型和P溝道型

 

在典型的功率應用中，當一個(gè)MOS管接地，而負載連接到干線(xiàn)電壓上時(shí)，該MOS管就構成了低壓側開(kāi)關(guān)。在低壓側開(kāi)關(guān)中，應采用N溝道MOS管，這是出于對關(guān)閉或導通器件所需電壓的考慮。

 

當MOS管連接到總線(xiàn)及負載接地時(shí)，就要用高壓側開(kāi)關(guān)。通常會(huì )在這個(gè)拓撲中采用P溝道MOS管，這也是出于對電壓驅動(dòng)的考慮。

 

要選擇適合應用的器件，必須確定驅動(dòng)器件所需的電壓，以及在設計中最簡(jiǎn)易執行的方法。

 

第二步是確定電壓

 

額定電壓越大，器件的成本就越高。從成本角度考慮，還需要確定所需的額定電壓，即器件所能承受的最大電壓。根據實(shí)踐經(jīng)驗，額定電壓應當大于干線(xiàn)電壓或總線(xiàn)電壓，一般會(huì )留出1.2~1.5倍的電壓余量，這樣才能提供足夠的保護，使MOS管不會(huì )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。由于MOS管所能承受的最大電壓會(huì )隨溫度變化而變化，設計人員必須在整個(gè)工作溫度范圍內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(gè)變化范圍，確保電路不會(huì )失效。

 

此外，設計工程師還需要考慮其他安全因素：如由開(kāi)關(guān)電子設備(常見(jiàn)有電機或變壓器)誘發(fā)的電壓瞬變。另外，不同應用的額定電壓也有所不同；通常便攜式設備選用20V的MOS管，FPGA電源為20～30V的MOS管，85～220VAC應用時(shí)MOS管VDS為450～600V。

 

第三步為確定電流

 

確定完電壓后，接下來(lái)要確定的就是MOS管的電流。需根據電路結構來(lái)決定，MOS管的額定電流應是負載在所有情況下都能夠承受的最大電流；與電壓的情況相似，MOS管的額定電流必須能滿(mǎn)足系統產(chǎn)生尖峰電流時(shí)的需求。

 

電流的確定需從兩個(gè)方面著(zhù)手：連續模式和脈沖尖峰。在連續導通模式下，MOS管處于穩態(tài)，此時(shí)電流連續通過(guò)器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過(guò)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。

 

選好額定電流后，還必須計算導通損耗。在實(shí)際情況下，MOS管并不是理想的器件，因為在導電過(guò)程中會(huì )有電能損耗，也就是導通損耗。MOS管在“導通”時(shí)就像一個(gè)可變電阻，由器件的導通電阻RDS(ON)所確定，并隨溫度而顯著(zhù)變化。

 

器件的功率損耗PTRON=Iload2×RDS(ON)計算（Iload：最大直流輸出電流），由于導通電阻會(huì )隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì )隨之按比例變化。對MOS管施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會(huì )越??；反之RDS(ON)就會(huì )越高。

 

對系統設計人員來(lái)說(shuō)，這就需要折中權衡。

 

對便攜式設計來(lái)說(shuō)，采用較低的電壓即可(較為普遍)；而對于工業(yè)設計來(lái)說(shuō)，可采用較高的電壓。需要注意的是，RDS(ON)電阻會(huì )隨著(zhù)電流輕微上升。

 

技術(shù)對器件的特性有著(zhù)重大影響，因為有些技術(shù)在提高最大VDS（漏源額定電壓）時(shí)往往會(huì )使RDS(ON)增大。對于這樣的技術(shù)，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(guān)的開(kāi)發(fā)成本。業(yè)界現有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術(shù)，其中最主要的是溝道和電荷平衡技術(shù)。

 

在溝道技術(shù)中，晶片中嵌入了一個(gè)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(kāi)發(fā)過(guò)程中采用了外延生長(cháng)柱/蝕刻柱工藝。例如，飛兆半導體開(kāi)發(fā)的SupeRFET技術(shù)，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(guān)注十分重要，因為當標準MOSFET的擊穿電壓升高時(shí)，RDS(ON)會(huì )隨之呈指數級增加，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關(guān)系變成了線(xiàn)性關(guān)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(shí)現理想的低RDS(ON)。結果是晶片尺寸可減小達35%。而對于最終用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)封裝尺寸的大幅減小。

 

SuperFETIIIMOSFET系列參數

 

第四步是確定熱要求

 

在確定電流之后，就要計算系統的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況：最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對最壞情況的計算結果，因為這個(gè)結果提供更大的安全余量，能確保系統不會(huì )失效。在MOS管的資料表上還有一些需要注意的測量數據，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，即結溫=最大環(huán)境溫度（熱阻×功率耗散）。根據這個(gè)方程可解出系統的最大功率耗散=I2×RDS(ON)。

 

由于設計人員已確定將要通過(guò)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(jiǎn)單熱模型時(shí)，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(huì )立即升溫。

 

雪崩擊穿（指半導體器件上的反向電壓超過(guò)最大值，并形成強電場(chǎng)使器件內電流增加）形成的電流將耗散功率，使器件溫度升高，而且有可能損壞器件。半導體公司都會(huì )對器件進(jìn)行雪崩測試，計算其雪崩電壓，或對器件的穩健性進(jìn)行測試。

 

計算額定雪崩電壓有兩種方法；一是統計法，另一是熱計算。而熱計算因為較為實(shí)用而得到廣泛采用。除計算外，技術(shù)對雪崩效應也有很大影響。例如，晶片尺寸的增加會(huì )提高抗雪崩能力，最終提高器件的穩健性。對最終用戶(hù)而言，這意味著(zhù)要在系統中采用更大的封裝件。

 

第五步是確定開(kāi)關(guān)性能

 

選擇MOS管的最后一步是確定其開(kāi)關(guān)性能。影響開(kāi)關(guān)性能的參數有很多，但最重要的是柵極/漏極、柵極/源極及漏極/源極電容。因為在每次開(kāi)關(guān)時(shí)都要對這些電容充電，會(huì )在器件中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗；MOS管的開(kāi)關(guān)速度也因此被降低，器件效率隨之下降；其中，柵極電荷(Qgd)對開(kāi)關(guān)性能的影響最大。

 

為計算開(kāi)關(guān)過(guò)程中器件的總損耗，設計人員必須計算開(kāi)通過(guò)程中的損耗(Eon)和關(guān)閉過(guò)程中的損耗(Eoff)，進(jìn)而推導出MOS管開(kāi)關(guān)總功率：Psw=(EonEoff)×開(kāi)關(guān)頻率。

 

增強型NMOS管構成的開(kāi)關(guān)電路

 

第六步為封裝因素考量

 

不同的封裝尺寸MOS管具有不同的熱阻和耗散功率，需要考慮系統的散熱條件和環(huán)境溫度（如是否有風(fēng)冷、散熱器的形狀和大小限制、環(huán)境是否封閉等因素），基本原則就是在保證功率MOS管的溫升和系統效率的前提下，選取參數和封裝更通用的功率MOS管。

 

常見(jiàn)的MOS管封裝有：

 

①插入式封裝：TO-3P、TO-247、TO-220、TO-220F、TO-251、TO-92；

 

②表面貼裝式：TO-263、TO-252、SOP-8、SOT-23、DFN。

 

TO封裝MOS管

 

不同的封裝形式，MOS管對應的極限電流、電壓和散熱效果都會(huì )不一樣，簡(jiǎn)單介紹如下。

 

TO-3P/247：是中高壓、大電流MOS管常用的封裝形式，產(chǎn)品具有耐壓高、抗擊穿能力強等特點(diǎn)，適于中壓大電流（電流10A以上、耐壓值在100V以下）在120A以上、耐壓值200V以上的場(chǎng)所中使用。

 

TO-220/220F：這兩種封裝樣式的MOS管外觀(guān)差不多，可以互換使用，不過(guò)TO-220背部有散熱片，其散熱效果比TO-220F要好些，價(jià)格相對也要貴些。這兩個(gè)封裝產(chǎn)品適于中壓大電流120A以下、高壓大電流20A以下的場(chǎng)合應用。

 

TO-251：該封裝產(chǎn)品主要是為了降低成本和縮小產(chǎn)品體積，主要應用于中壓大電流60A以下、高壓7N以下環(huán)境中。

 

TO-92：該封裝只有低壓MOS管（電流10A以下、耐壓值60V以下）和高壓1N60/65在采用，主要是為了降低成本。

 

TO-263：是TO-220的一個(gè)變種，主要是為了提高生產(chǎn)效率和散熱而設計，支持極高的電流和電壓，在150A以下、30V以上的中壓大電流MOS管中較為多見(jiàn)。

 

TO-252：是目前主流封裝之一，適用于高壓在7N以下、中壓在70A以下環(huán)境中。

 

SOP-8：該封裝同樣是為降低成本而設計，一般在50A以下的中壓、60V左右的低壓MOS管中較為多見(jiàn)。

 

SOT-23：適于幾A電流、60V及以下電壓環(huán)境中采用，其又分有大體積和小體積兩種，主要區別在于電流值不同。

 

DFN：體積上，較SOT-23大，但小于TO-252，一般在低壓和30A以下中壓MOS管中有采用，得益于產(chǎn)品體積小，主要應用于DC小功率電流環(huán)境中。

 

第七步要選擇好品牌

 

MOS管的生產(chǎn)企業(yè)很多，大致說(shuō)來(lái)，主要有歐美系、日系、韓系、臺系、國產(chǎn)幾大系列。

 

歐美系代表企業(yè)：ST、安森美（含仙童）、TI、PI、英飛凌（含IR）等；

 

日系代表企業(yè)：東芝、瑞薩、新電元等；

 

韓系代表企業(yè)：KEC、AUK、美格納、森名浩、威士頓、信安、KIA等；

 

臺系代表企業(yè)：APEC 富鼎、CET 華瑞；

 

國產(chǎn)代表企業(yè)：吉林華微、士蘭微、華潤華晶、東光微、世紀金光半導體等。

 

在這些品牌中，以歐美系企業(yè)的產(chǎn)品種類(lèi)最全、技術(shù)及性能最優(yōu)，從性能效果考慮，是為MOS管的首選；以瑞薩、東芝為代表的日系企業(yè)也是MOS管的高端品牌，同樣具有很強的競爭優(yōu)勢；這些品牌也是市面上被仿冒最多的。另外，由于品牌價(jià)值、技術(shù)優(yōu)勢等原因，歐美系和日系品牌企業(yè)的產(chǎn)品價(jià)格也往往較高。

 

韓國和中國臺灣的MOS管企業(yè)也是行業(yè)的重要產(chǎn)品供應商，不過(guò)在技術(shù)上，要稍弱于歐美及日系企業(yè)，但在價(jià)格方面，較歐美及日系企業(yè)更具優(yōu)勢；性?xún)r(jià)比相對高很多。

 

而在中國大陸，同樣活躍著(zhù)一批本土企業(yè)，他們借助更低的成本優(yōu)勢和更快的客戶(hù)服務(wù)響應速度，在中低端及細分領(lǐng)域具有很強的競爭力，部分實(shí)現了國產(chǎn)替代；目前也在不斷沖擊高端產(chǎn)品線(xiàn)，以滿(mǎn)足本土客戶(hù)的需求。另外，本土企業(yè)還通過(guò)資本運作，成功收購了安世半導體等國際知名的功率器件公司，將更好地滿(mǎn)足本土對功率器件的需求。

 

小結

 

小到選N型還是P型、封裝類(lèi)型，大到MOSFET的耐壓、導通電阻等，不同的應用需求千變萬(wàn)化，工程師在選擇MOS管時(shí)，一定要依據電路設計需求及MOS管工作場(chǎng)所來(lái)選取合適的MOS管，從而獲得最佳的產(chǎn)品設計體驗。當然，在考慮性能的同時(shí)，成本也是選擇的因素之一，只有高性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品，才能讓工程師設計的產(chǎn)品在品質(zhì)與收益中達到平衡。

 

 

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