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電源MOS管怎么選用?看參數吧

2019/12/26 15:52:27 點擊:
 

在開關電源當中,開關管的關斷和開通時間影響著開關電源的工作效率,而MOS管的一些參數起著決定性的作用,那么MOS管的選擇又存在哪些技巧呢?

由于MOS管對電路的輸出有很好的益處,其在電源中經常被當作開關元件使用。服務器和通信設備等應用一般都配置有多個并行電源,以支持N+1冗余與持續工作(1)。各并行電源平均分擔負載,確保系統即使在一個電源出現故障的情況下仍然能夠繼續工作。不過,這種架構還需要一種方法把并行電源的輸出連接在一起,并保證某個電源的故障不會影響到其它的電源。在每個電源的輸出端,有一個功率MOS管可以讓眾電源分擔負載,同時各電源又彼此隔離 。起這種作用的MOS管被稱為“Oring”FET,因為它們本質上是以 "OR" 邏輯來連接多個電源的輸出。

因為在服務器當中,電源是不斷工作著的,所以MOS管作為開關器件,始終是處于導通的狀態。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。

一般而言,MOS管制造商采用RDS(ON) 參數來定義導通阻抗;ORing FET應用來說,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) 電壓 VGS 以及流經開關的電流有關,但對于充分的柵極驅動,RDS(ON) 是一個相對靜態參數。

如想要設計出體積更小,成本更低的電源,就需要充分重視低導通阻抗。在電源設計中,每個電源常常需要多個ORing MOS管并行工作,需要多個器件來把電流傳送給負載。在許多情況下,設計人員必須并聯MOS管,以有效降低RDS(ON)

需要注意的是,當處于DC電路當中時,并聯電阻性負載的等效阻抗小于每個負載單獨的阻抗值。比如,兩個并聯的電阻相當于一個的電阻 。因此,一般來說,一個低RDS(ON) 值的MOS管,具備大額定電流,就可以讓設計人員把電源中所用MOS管的數目減至最少。

此外,還有一些參數是在MOS管的選型時必須要重視的。許多情況下,設計人員應該密切關注數據手冊上的安全工作區(SOA)曲線,該曲線同時描述了漏極電流和漏源電壓的關系。基本上,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,首要問題是:在完全導通狀態FET的電流傳送能力。實際上無需SOA曲線也可以獲得漏極電流值。

當電路設計目標是為了實現熱插拔功能時,SOA曲線更能發揮其本身的作用。在這種情況下,MOS管需要部分導通工作。SOA曲線定義了不同脈沖期間的電流和電壓限值。

順帶一提,剛才提到的額定電流也是一個需要思考的熱參數。因為始終導通的MOS管很容易發熱。另外,日漸升高的結溫也會導致RDS(ON)的增加。MOS管數據手冊規定了熱阻抗參數,其定義為MOS管封裝的半導體結散熱能力。RθJC的最簡單的定義是結到管殼的熱阻抗。細言之,在實際測量中其代表從器件結(對于一個垂直MOS管,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圍環境的熱阻抗,而且一般通過一個腳注來標明與PCB設計的關系,包括鍍銅的層數和厚度。開關電源中的MOS

現在讓我們考慮開關電源應用,以及這種應用為何需要從一個不同的角度來審視數據手冊。從定義上而言,這種應用需要MOS管定期導通和關斷。同時,有數十種拓撲可用于開關電源,這里考慮一個簡單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉換器,依賴兩個MOS管來執行開關功能(2),這些開關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。

之所以會有這么多文章來講開關電源當中的MOS管選擇,是因為開關電源的設計復雜,而卻沒有適用于MOS管選擇的計算公式。所以在此時,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)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。這些技術被稱為軟開關、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。

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