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。[page]
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)χM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。這些技術被成為軟開關或零電壓開關(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(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。
