面對各種MOS管該如何合理選擇？詳解-KIA MOS管

MOS管如何選擇

MOS管是電子制造的基本元件，但面對不同封裝、不同特性、不同品牌的MOS管時，該如何抉擇？有沒有省心、省力的遴選方法？下面我們就一起來看一下。

選擇到一款正確的MOS管，可以很好地控制生產制造成本，最為重要的是，為產品匹配了一款最恰當的元器件，這在產品未來的使用過程中，將會充分發揮其“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。

我們分7個步驟來闡述MOS管的選型要求:

01.確定N、P溝道的選擇

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行的方法。

02.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。根據實踐經驗，額定電壓應當大于干線電壓或總線電壓，一般會留出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隨溫度變化而變化，設計人員必須在整個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變化范圍，確保電路不會失效。

此外，設計工程師還需要考慮其他安全因素：如由開關電子設備(常見有電機或變壓器)誘發的電壓瞬變。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MOS管VDS為450～600V。

03.確定電流

確定完電壓后，接下來要確定的就是MOS管的電流。需根據電路結構來決定，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足系統產生尖峰電流時的需求。

電流的確定需從兩個方面著手：連續模式和脈沖尖峰。在連續導通模式下，MOS管處于穩態，此時電流連續通過器件。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，也就是導通損耗。MOS管在“導通”時就像一個可變電阻，由器件的導通電阻RDS(ON)所確定，并隨溫度而顯著變化。

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)就會越小；反之RDS(ON)就會越高。

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

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（漏源額定電壓）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成本。業界現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，開發過程中采用了外延生長柱/蝕刻柱工藝。

04.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，能確保系統不會失效。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境之間的熱阻，以及最大的結溫。

器件的結溫等于最大環境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積，即結溫=最大環境溫度（熱阻×功率耗散）。根據這個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（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。半導體公司都會對器件進行雪崩測試，計算其雪崩電壓，或對器件的穩健性進行測試。

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，最終提高器件的穩健性。對最終用戶而言，這意味著要在系統中采用更大的封裝件。

05.確定開關性能

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

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)，進而推導出MOS管開關總功率：Psw=(EonEoff)×開關頻率。

增強型NMOS管構成的開關電路

06.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境溫度（如是否有風冷、散熱器的形狀和大小限制、環境是否封閉等因素），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不一樣，簡單介紹如下。

TO-3P/247：是中高壓、大電流MOS管常用的封裝形式，產品具有耐壓高、抗擊穿能力強等特點，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以上的場所中使用。

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

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

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的一個變種，主要是為了提高生產效率和散熱而設計，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。

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。

SOT-23：適于幾A電流、60V及以下電壓環境中采用，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，得益于產品體積小，主要應用于DC小功率電流環境中。

小結

小到選N型還是P型、封裝類型，大到MOSFET的耐壓、導通電阻等，不同的應用需求千變萬化，工程師在選擇MOS管時，一定要依據電路設計需求及MOS管工作場所來選取合適的MOS管，從而獲得最佳的產品設計體驗。當然，在考慮性能的同時，成本也是選擇的因素之一，只有高性價比的產品，才能讓工程師設計的產品在品質與收益中達到平衡。

市面上琳瑯滿目的MOS管，也活躍著一批本土企業，他們借助更低的成本優勢和更快的客戶服務響應速度，在中低端及細分領域具有很強的競爭力，部分實現了國產替代；目前也在不斷沖擊高端產品線，以滿足本土客戶的需求。

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