電源系統(tǒng)開關控制器如何選擇MOSFET？-KIA MOS管

MOSFET廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路中，和我們的生活密不可分。MOSFET的優(yōu)勢在于：首先，驅動電路比較簡單——MOSFET需要的驅動電流比BJT小得多，而且通常可以直接由CMOS或者集電極開路TTL驅動電路驅動；

其次，由于沒有電荷存儲效應，MOSFET的開關速度比較迅速，能夠以較高的速度工作；

另外，MOSFET沒有二次擊穿失效機理，它在溫度越高時往往耐力越強，而且發(fā)生熱擊穿的可能性越低，還可以在較寬的溫度范圍內(nèi)提供較好的性能。

MOSFET已經(jīng)得到了大量應用，在消費電子、工業(yè)產(chǎn)品、機電設備、智能手機以及其他便攜式數(shù)碼電子產(chǎn)品中隨處可見。

MOSFET的選型基礎

MOSFET有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率系統(tǒng)中，MOSFET可被看成電氣開關。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時，其開關導通。

導通時，電流可經(jīng)開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內(nèi)阻，稱為導通電阻RDS（ON）。必須清楚MOSFET的柵極是個高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個電壓。

如果柵極為懸空，器件將不能按設計意圖工作，并可能在不恰當?shù)臅r刻導通或關閉，導致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。

當源極和柵極間的電壓為零時，開關關閉，而電流停止通過器件。雖然這時器件已經(jīng)關閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即IDSS。

作為電氣系統(tǒng)中的基本部件，工程師如何根據(jù)參數(shù)做出正確選擇呢？本文將討論如何通過四步來選擇正確的MOSFET。

1）溝道的選擇。為設計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET.在典型的功率應用中，當一個MOSFET接地，而負載連接到干線電壓上時，該MOSFET就構成了低壓側開關。

在低壓側開關中，應采用N溝道MOSFET,這是出于對關閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET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MOSFET,這也是出于對電壓驅動的考慮。

2）電壓和電流的選擇。額定電壓越大，器件的成本就越高。根據(jù)實踐經(jīng)驗，額定電壓應當大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOSFET不會失效。

就選擇MOSFET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.設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關電子設備（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。

在連續(xù)導通模式下，MOSFET處于穩(wěn)態(tài)，此時電流連續(xù)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。

3）計算導通損耗。MOSFET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，因此功率耗損也會隨之按比例變化。

對便攜式設計來說，采用較低的電壓比較容易（較為普遍），而對于工業(yè)設計，可采用較高的電壓。注意RDS（ON）電阻會隨著電流輕微上升。關于RDS（ON）電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術資料表中查到。

4）計算系統(tǒng)的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況，即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(tǒng)不會失效。

在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數(shù)據(jù)；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。

開關損耗其實也是一個很重要的指標。從下圖可以看到，導通瞬間的電壓電流乘積相當大。一定程度上決定了器件的開關性能。不過，如果系統(tǒng)對開關性能要求比較高，可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET。

MOSFET應用案例解析

1.開關電源應用

從定義上而言，這種應用需要MOSFET定期導通和關斷。同時，有數(shù)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靠兩個MOSFET來執(zhí)行開關功能（下圖），這些開關交替在電感里存儲能量，然后把能量開釋給負載。

目前，設計職員經(jīng)常選擇數(shù)百kHz乃至1MHz以上的頻率，由于頻率越高，磁性元件可以更小更輕。開關電源中第二重要的MOSFET參數(shù)包括輸出電容、閾值電壓、柵極阻抗和雪崩能量。

2.電機控制應用

電機控制應用是功率MOSFET大有用武之地的另一個應用領域。典型的半橋式控制電路采用2個MOSFET（全橋式則采用4個），但這兩個MOSFET的關斷時間（死區(qū)時間）相等。

對于這類應用，反向恢復時間（trr）非常重要。在控制電感式負載（比如電機繞組）時，控制電路把橋式電路中的MOSFET切換到關斷狀態(tài)，此時橋式電路中的另一個開關經(jīng)過MOSFET中的體二極管臨時反向傳導電流。

于是，電流重新循環(huán)，繼續(xù)為電機供電。當?shù)谝粋€MOSFET再次導通時，另一個MOSFET二極管中存儲的電荷必須被移除，通過第一個MOSFET放電，而這是一種能量的損耗，故trr越短，這種損耗越小。

3.汽車應用

過去的近20年里，汽車用功率MOSFET已經(jīng)得到了長足發(fā)展。選用功率MOSFET是因為其能夠耐受汽車電子系統(tǒng)中常遇到的掉載和系統(tǒng)能量突變等引起的瞬態(tài)高壓現(xiàn)象，且其封裝簡單，主要采用TO220和TO247封裝。

同時，電動車窗、燃油噴射、間歇式雨刷和巡航控制等應用已逐漸成為大多數(shù)汽車的標配，在設計中需要類似的功率器件。在這期間，隨著電機、螺線管和燃油噴射器日益普及，車用功率MOSFET也不斷發(fā)展壯大。

汽車設備中所用的MOSFET器件涉及廣泛的電壓、電流和導通電阻范圍。電機控制設備橋接配置會使用30V和40V擊穿電壓型號；而在必須控制負載突卸和突升啟動情況的場合，會使用60V裝置驅動負載；

當行業(yè)標準轉移至42V電池系統(tǒng)時，則需采用75V技術。高輔助電壓的設備需要使用100V至150V型款；至于400V以上的MOSFET器件則應用于發(fā)動機驅動器機組和高亮度放電（HID）前燈的控制電路。

汽車MOSFET驅動電流的范圍由2A至100A以上，導通電阻的范圍為2mΩ至100mΩ。MOSFET的負載包括電機、閥門、燈、加熱部件、電容性壓電組件和DC/DC電源。

開關頻率的范圍通常為10kHz至100kHz，必須注意的是，電機控制不適用開關頻率在20kHz以上。

其它的主要需求是UIS性能，結點溫度極限下（-40度至175度，有時高達200度）的工作狀況，以及超越汽車使用壽命的高可靠性。

4.LED燈具的驅動

設計LED燈具的時候經(jīng)常要使用MOS管，對LED恒流驅動而言，一般使用NMOS.功率MOSFET和雙極型晶體管不同，它的柵極電容比較大，在導通之前要先對該電容充電，當電容電壓超過閾值電壓（VGS-TH）時MOSFET才開始導通。因此，設計時必須注意柵極驅動器負載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時間內(nèi)完成對等效柵極電容（CEI）的充電。

而MOSFET的開關速度和其輸入電容的充放電有很大關系。使用者雖然無法降低Cin的值，但可以降低柵極驅動回路信號源內(nèi)阻Rs的值，從而減小柵極回路的充放電時間常數(shù)，加快開關速度一般IC驅動能力主要體現(xiàn)在這里，我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅動恒流IC。

內(nèi)置MOSFET的IC當然不用我們再考慮了，一般大于1A電流會考慮外置MOSFET。為了獲得到更大、更靈活的LED功率能力，外置MOSFET是唯一的選擇方式，IC需要合適的驅動能力，MOSFET輸入電容是關鍵的參數(shù)。

下圖Cgd和Cgs是MOSFET等效結電容。