法則之一:用N溝道or P溝道
選擇好MOS管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(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。
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。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。知道MOS管能承受的最大電壓會(huì )隨溫度而變化這點(diǎn)十分重要。我們須在整個(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。需要考慮的其他安全因素包括由開(kāi)關(guān)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。
法則之二:確定MOS管的額定電流
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,確保所選的MOS管能承受這個(gè)額定電流,即使在系統產(chǎn)生 尖峰電流時(shí)。兩個(gè)考慮的電流情況是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,這稱(chēng)之為導通損耗。MOS管在“導通”時(shí)就像一個(gè)可變電阻,由器件的RDS(ON)所確 定,并隨溫度而顯著(zhù)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(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。注意RDS(ON)電阻會(huì )隨著(zhù)電流輕微上升。關(guān)于RDS(ON)電阻的各種電 氣參數變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。
法則之三:選擇MOS管的下一步是系統的散熱要求
須考慮兩種不同的情況,即最壞情況和真實(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;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])。根據這個(gè)式子可解出系統的最大功率耗散,即按定義相等于I2×RDS(ON)。我們已將要通過(guò)器件的最大電流,可以計算出不同溫度下的RDS(ON)。另外,還要做好電路板 及其MOS管的散熱。
雪崩擊穿是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。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。因此選擇更大的封裝件可以有效防止雪崩。
法則之四:選擇MOS管的最后一步是決定MOS管的開(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。這些電容會(huì )在器件中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗,因為在每次開(kāi)關(guān)時(shí)都要對它們充電。MOS管的開(kāi)關(guān)速度因此被降低,器件效率也下降。為計算開(kāi)關(guān)過(guò) 程中器件的總損耗,要計算開(kāi)通過(guò)程中的損耗(Eon)和關(guān)閉過(guò)程中的損耗(Eoff)。MOSFET開(kāi)關(guān)的總功率可用如下方程表達:Psw= (Eon+Eoff)×開(kāi)關(guān)頻率。而柵極電荷(Qgd)對開(kāi)關(guān)性能的影響最大。
【相關(guān)閱讀】
開(kāi)關(guān)電源上MOS管的選擇方法
如何解決MOS管發(fā)熱問(wèn)題
淺析MOS管擊穿的原因及解決方案