中心議題：

• 為具體應用恰當?shù)倪x擇MOSFET的技巧

解決方案：

• 低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺寸降至最小
• 開關電源中的MOSFET需評估綜合品質(zhì)因數(shù)等六大要素
• 馬達控制應用的MOSFET需全面的考慮

鑒于MOSFET技術(shù)的成熟,，為設計選擇一款MOSFET表面上看是十分簡單的事情,。雖然工程師都熟諳MOSFET數(shù)據(jù)手冊上的品質(zhì)因數(shù)，但為了選擇出合適的MOSFET,，工程師必需利用自己的專業(yè)知識對各個具體應用的不同規(guī)格進行全面仔細的考慮,。例如，對于服務器電源中的負載開關這類應用,，由于 MOSFET基本上一直都是處于導通狀態(tài),，故MOSFET的開關特性無關緊要，而導通阻抗(RDS(ON))卻可能是這種應用的關鍵品質(zhì)因數(shù),。然而,，仍然有一些應用，比如開關電源,，把MOSFET用作有源開關,，因此工程師必須評估其它的MOSFET性能參數(shù)。下面讓我們考慮一些應用及其MOSFET規(guī)格參數(shù)的優(yōu)先順序,。

MOSFET最常見的應用可能是電源中的開關元件,，此外，它們對電源輸出也大有裨益,。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(xù)工作 (圖 1)。各并行電源平均分擔負載,，確保系統(tǒng)即使在一個電源出現(xiàn)故障的情況下仍然能夠繼續(xù)工作,。不過，這種架構(gòu)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MOSFET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MOSFET 被稱為"ORing"FET,，因為它們本質(zhì)上是以 "OR" 邏輯來連接多個電源的輸出。

                                  
                                         圖1：用于針對N+1冗余拓撲的并行電源控制的MOSFET,。

在ORing FET應用中，MOSFET的作用是開關器件,，但是由于服務器類應用中電源不間斷工作,，這個開關實際上始終處于導通狀態(tài)。其開關功能只發(fā)揮在啟動和關斷,，以及電源出現(xiàn)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MOSFET的不同特性,。以服務器為例,，在正常工作期間，MOSFET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。

低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺寸降至最小

一般而言,，MOSFET 制造商采用RDS(ON) 參數(shù)來定義導通阻抗,；對ORing FET應用來說，RDS(ON) 也是最重要的器件特性,。數(shù)據(jù)手冊定義RDS(ON) 與柵極 (或驅(qū)動) 電壓 VGS 以及流經(jīng)開關的電流有關,，但對于充分的柵極驅(qū)動，RDS(ON) 是一個相對靜態(tài)參數(shù),。例如,，飛兆半導體 FDMS7650 的數(shù)據(jù)手冊規(guī)定，對于10V 的柵極驅(qū)動,，最大RDS(ON) 為0.99 mΩ,。

若設計人員試圖開發(fā)尺寸最小、成本最低的電源,，低導通阻抗更是加倍的重要,。在電源設計中，每個電源常常需要多個ORing MOSFET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(lián)MOSFET,，以有效降低RDS(ON),。

需謹記，在 DC 電路中,，并聯(lián)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(lián)的2Ω 電阻相當于一個1Ω的電阻 ,。因此,，一般來說，一個低RDS(ON) 值的MOSFET,，具備大額定電流,，就可以讓設計人員把電源中所用MOSFET的數(shù)目減至最少。

除了RDS(ON)之外,，在MOSFET的選擇過程中還有幾個MOSFET參數(shù)也對電源設計人員非常重要,。許多情況下，設計人員應該密切關注數(shù)據(jù)手冊上的安全工作區(qū)(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(tài)"下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,。再以FDMS7650為例，該器件的額定電流為36A,，故非常適用于服務器應用中所采用的典型DC-DC電源,。

若設計是實現(xiàn)熱插拔功能，SOA曲線也許更能發(fā)揮作用,。在這種情況下,，MOSFET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,。

注意剛剛提到的額定電流,，這也是值得考慮的熱參數(shù)，因為始終導通的MOSFET很容易發(fā)熱,。另外,，日漸升高的結(jié)溫也會導致RDS(ON)的增加。 MOSFET數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了熱阻抗參數(shù),，其定義為MOSFET封裝的半導體結(jié)散熱能力,。RθJC的最簡單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。細言之,，在實際測量中其代表從器件結(jié)(對于一個垂直MOSFET,，即裸片的上表面附近)到封裝外表面的熱阻抗,，在數(shù)據(jù)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(tǒng)的熱效應,。RθJA 定義了從裸片表面到周圍環(huán)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(shù)和厚度,。

總而言之,，RθJC在電源設計團隊的控制范圍以外，因為它是由所采用的器件封裝技術(shù)決定,。先進的熱性能增強型封裝,，比如飛兆半導體的Power 56，其RθJC 規(guī)格在1 和 2 oC/W之間,，F(xiàn)DMS7650 的規(guī)格為 1.2 oC/W,。設計團隊可以通過PCB設計來改變 RθJA 。最終,，一個穩(wěn)健的熱設計有助于提高系統(tǒng)可靠性,， 延長系統(tǒng)平均無故障時間(MTBF)。

開關電源中的MOSFET

現(xiàn)在讓我們考慮開關電源應用,，以及這種應用如何需要從一個不同的角度來審視數(shù)據(jù)手冊,。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(zhuǎn)換器依賴兩個MOSFET來執(zhí)行開關功能(圖 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(shù)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,。

                           
                                     圖2：用于開關電源應用的MOSFET對。（DC-DC控制器）

顯然,，電源設計相當復雜,，而且也沒有一個簡單的公式可用于MOSFET的評估。但我們不妨考慮一些關鍵的參數(shù)，以及這些參數(shù)為什么至關重要,。傳統(tǒng)上,，許多電源設計人員都采用一個綜合品質(zhì)因數(shù)(柵極電荷QG ×導通阻抗RDS(ON))來評估MOSFET或?qū)χM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(chǎn)生開關損耗的主要原因,。柵極電荷單位為納庫侖(nc)，是MOSFET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(lián),，一般來說，器件的柵極電荷值較低,，其導通阻抗參數(shù)就稍高,。

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,。

某些特殊的拓撲也會改變不同MOSFET參數(shù)的相關品質(zhì)，例如,，可以把傳統(tǒng)的同步降壓轉(zhuǎn)換器與諧振轉(zhuǎn)換器做比較,。諧振轉(zhuǎn)換器只在VDS (漏源電壓)或ID (漏極電流)過零時才進行MOSFET開關，從而可把開關損耗降至最低,。這些技術(shù)被成為軟開關或零電壓開關(ZVS)或零電流開關(ZCS)技術(shù),。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(zhuǎn)換器都大有好處,。諧振轉(zhuǎn)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MOSFET關斷的死區(qū)時間內(nèi),，諧振電路必須讓COSS完全放電。因此,，諧振拓撲很看重較低的COSS,。考慮圖3所示的飛兆半導體FDMS7650的COSS與VDS的關系圖,。
                     
                                       圖3：FDMS7650的COSS與VDS的關系圖,。

低輸出電容也有利于傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器(有時又稱為硬開關轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器中能量反復循環(huán)。因此，低輸出電容對于同步降壓調(diào)節(jié)器的低邊開關尤其重要,。

馬達控制應用的MOSFET

馬達控制應用是功率MOSFET大有用武之地的另一個應用領域,，這時最重要的選擇基準可能又與其它大不相同。不同于現(xiàn)代開關電源,，馬達控制電路不在高頻下開關,。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(比如馬達繞組)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)由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)為馬達供電。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。

所以,，若設計團隊需要在電源電路采用MOSFET,，在評估過程開始之前，需對手中的應用進行仔細全面的考慮,。應根據(jù)自己的需求而非制造商吹噓的特定規(guī)格來對各項參數(shù)進行優(yōu)先級劃分,。

補充：利用IC和封裝設計獲得最小的 RDS(ON) 規(guī)格

在MOSFET的選擇過程中，評估參數(shù)的設計人員一般通過仔細分析相關規(guī)格來了解自己到底需要什么,。但有時深入了解IC制造商如何提供工作特性是很有必要的,。以RDS(ON)為例，你也許通常期望該規(guī)格只與器件的設計及半導體制造工藝有關,。但實際上,，封裝設計對導通阻抗RDS(ON) 的最小化有著巨大的影響。

封裝對RDS(ON)的作用巨大是因為該參數(shù)主要取決于傳導損耗,，而封裝無疑可以影響傳導損耗,。考慮本文正文提及的飛兆半導體FDMS7650 和1mΩ導通阻抗,。該器件能獲得較低RDS(ON) 值,，大約一半原因可歸結(jié)于封裝設計,。其封裝采用一種堅固的銅夾技術(shù)取代常用的鋁或金鍵合引線來連接源極和引線框架。這種方案把封裝阻抗降至最小,，并降低了源極電感,，源極電感是開關器件產(chǎn)生振鈴的主要原因。