菜鳥選擇MOSFET的四步驟!

18,3592019-11-04

壹位工程師曾經對我講,他從來不看MOSFET數據表的第壹頁,因為“實用”的信息只在第二頁以後才出現。事實上,MOSFET數據表上的每壹頁都包含有對設計者非常有價值的信息。但人們不是總能搞得清楚該如何解讀制造商提供的數據。本文概括了壹些MOSFET的關鍵指標,這些指標在數據表上是如何表述的,以及妳理解這些指標所要用到的清晰圖片。像大多數電子器件壹樣,MOSFET也受到工作溫度的影響。所以很重要的壹點是了解測試條件,所提到的指標是在這些條件下應用的。還有很關鍵的壹點是弄明白妳在“產品簡介”裏看到的這些指標是“最大”或是“典型”值,因為有些數據表並沒有說清楚。

電壓等級

確定MOSFET的首要特性是其漏源電壓VDS,或“漏源擊穿電壓”,這是在柵極短路到源極,漏極電流在250μA情況下,MOSFET所能承受的保證不損壞的最高電壓。VDS也被稱為“25℃下的絕對最高電壓”,但是壹定要記住,這個絕對電壓與溫度有關,而且數據表裏通常有壹個“VDS溫度系數”。妳還要明白,最高VDS是直流電壓加上可能在電路裏存在的任何電壓尖峰和紋波。例如,如果妳在電壓30V並帶有100mV、5ns尖峰的電源裏使用30V器件,電壓就會超過器件的絕對最高限值,器件可能會進入雪崩模式。在這種情況下,MOSFET的可靠性沒法得到保證。

在高溫下,溫度系數會顯著改變擊穿電壓。例如,壹些600V電壓等級的N溝道MOSFET的溫度系數是正的,在接近最高結溫時,溫度系數會讓這些MOSFET變得象650V MOSFET。很多MOSFET用戶的設計規則要求10%~20%的降額因子。在壹些設計裏,考慮到實際的擊穿電壓比25℃下的額定數值要高5%~10%,會在實際設計中增加相應的有用設計裕量,對設計是很有利的。

對正確選擇MOSFET同樣重要的是理解在導通過程中柵源電壓VGS的作用。這個電壓是在給定的最大RDS(on)條件下,能夠確保MOSFET完全導通的電壓。這就是為什麽導通電阻總是與VGS水平關聯在壹起的原因,而且也是只有在這個電壓下才能保證器件導通。壹個重要的設計結果是,妳不能用比用於達到RDS(on)額定值的最低VGS還要低的電壓,來使MOSFET完全導通。例如,用3.3V微控制器驅動MOSFET完全導通,妳需要用在VGS= 2.5V或更低條件下能夠導通的MOSFET。

導通電阻,柵極電荷,以及“優值系數”

MOSFET的導通電阻總是在壹個或多個柵源電壓條件下確定的。最大RDS(on)限值可以比典型數值高20%~50%。 RDS(on)最大限值通常指的25℃結溫下的數值,而在更高的溫度下,RDS(on)可以增加30%~150%,如圖1所示。由於RDS(on)隨溫度而變,而且不能保證最小的電阻值,根據RDS(on)來檢測電流不是很準確的方法。

圖1 RDS(on)在最高工作溫度的30%~150%這個範圍內隨溫度增加而增加

導通電阻對N溝道和P溝道MOSFET都是十分重要的。在開關電源中,Qg是用在開關電源裏的N溝道MOSFET的關鍵選擇標準,因為Qg會影響開關損耗。這些損耗有兩個方面影響:壹個是影響MOSFET導通和關閉的轉換時間;另壹個是每次開關過程中對柵極電容充電所需的能量。要牢記的壹點是,Qg取決於柵源電壓,即使用更低的Vgs可以減少開關損耗。

作為壹種快速比較準備用在開關應用裏MOSFET的方式,設計者經常使用壹個單數公式,公式包括表示傳導損耗RDS(on)及表示開關損耗的Qg:RDS(on) xQg。這個“優值系數”(FOM)總結了器件的性能,可以用典型值或最大值來比較MOSFET。要保證在器件中進行準確的比較,妳需要確定用於RDS(on) 和Qg的是相同的VGS,在公示裏典型值和最大值沒有碰巧混在壹起。較低的FOM能讓妳在開關應用裏獲得更好的性能,但是不能保證這壹點。只有在實際的電路裏才能獲得最好的比較結果,在某些情況下可能需要針對每個MOSFET對電路進行微調。

額定電流和功率耗散

基於不同的測試條件,大多數MOSFET在數據表裏都有壹個或多個的連續漏極電流。妳要仔細看看數據表,搞清楚這個額定值是在指定的外殼溫度下(比如TC = 25℃),或是環境溫度(比如TA = 25℃)。這些數值當中哪些是最相關將取決於器件的特性和應用(見圖2)。

圖2  全部絕對最大電流和功率數值都是真實的數據

對於用在手持設備裏的小型表面貼裝器件,關聯度最高的電流等級可能是在70℃環境溫度下的電流,對於有散熱片和強制風冷的大型設備,在TA = 25℃下的電流等級可能更接近實際情況。對於某些器件來說,管芯在其最高結溫下能夠處理的電流要高於封裝所限定的電流水平,在壹些數據表,這種“管芯限定”的電流等級是對“封裝限定”電流等級的額外補充信息,可以讓妳了解管芯的魯棒性。

對於連續的功率耗散也要考慮類似的情況,功耗耗散不僅取決於溫度,而且取決於導通時間。設想壹個器件在TA= 70℃情況下,以PD=4W連續工作10秒鐘。構成“連續”時間周期的因素會根據MOSFET封裝而變化,所以妳要使用數據表裏的標準化熱瞬態阻抗圖,看經過10秒、100秒或10分鐘後的功率耗散是什麽樣的。如圖3所示,這個專用器件經過10秒脈沖後的熱阻系數大約是0.33,這意味著經過大約10分鐘後,壹旦封裝達到熱飽和,器件的散熱能力只有1.33W而不是4W,盡管在良好冷卻的情況下器件的散熱能力可以達到2W左右。

圖3   MOSFET在施加功率脈沖情況下的熱阻

實際上,我們可以把MOSFET選型分成四個步驟。

第壹步:選用N溝道還是P溝道

為設計選擇正確器件的第壹步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應用中,當壹個MOSFET接地,而負載連接到幹線電壓上時,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,這是出於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,這也是出於對電壓驅動的考慮。

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。下壹步是確定所需的額定電壓,或者器件所能承受的最大電壓。額定電壓越大,器件的成本就越高。根據實踐經驗,額定電壓應當大於幹線電壓或總線電壓。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。知道MOSFET能承受的最大電壓會隨溫度而變化這點十分重要。設計人員必須在整個工作溫度範圍內測試電壓的變化範圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個變化範圍,確保電路不會失效。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。

第二步:確定額定電流

第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結構而定,該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似,設計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個額定電流,即使在系統產生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續模式和脈沖尖峰。在連續導通模式下,MOSFET處於穩態,此時電流連續通過器件。脈沖尖峰是指有大量電湧(或尖峰電流)流過器件。壹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。

選好額定電流後,還必須計算導通損耗。在實際情況下,MOSFET並不是理想的器件,因為在導電過程中會有電能損耗,這稱之為導通損耗。MOSFET在“導通”時就像壹個可變電阻,由器件的RDS(ON)所確定,並隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算,由於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MOSFET施加的電壓VGS越高,RDS(ON)就會越小;反之RDS(ON)就會越高。對系統設計人員來說,這就是取決於系統電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來說,采用較低的電壓比較容易(較為普遍),而對於工業設計,可采用較高的電壓。註意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關於RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術資料表中查到。

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時往往會使RDS(ON)增大。對於這樣的技術,如果打算降低VDS和RDS(ON),那麽就得增加晶片尺寸,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,晶片中嵌入了壹個深溝,通常是為低電壓預留的,用於降低導通電阻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。例如,飛兆半導體開發了稱為SuperFET的技術,針對RDS(ON)的降低而增加了額外的制造步驟。

這種對RDS(ON)的關註十分重要,因為當標準MOSFET的擊穿電壓升高時,RDS(ON)會隨之呈指數級增加,並且導致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS(ON)與晶片尺寸間的指數關系變成了線性關系。這樣,SuperFET器件便可在小晶片尺寸,甚至在擊穿電壓達到600V的情況下,實現理想的低RDS(ON)。結果是晶片尺寸可減小達35%。而對於最終用戶來說,這意味著封裝尺寸的大幅減小。

第三步:確定熱要求

選擇MOSFET的下壹步是計算系統的散熱要求。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,能確保系統不會失效。在MOSFET的資料表上還有壹些需要註意的測量數據;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。

器件的結溫等於最大環境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(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,即按定義相等於I2×RDS(ON)。由於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)。值得註意的是,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。

雪崩擊穿是指半導體器件上的反向電壓超過最大值,並形成強電場使器件內電流增加。該電流將耗散功率,使器件的溫度升高,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;壹是統計法,另壹是熱計算。而熱計算因為較為實用而得到廣泛采用。不少公司都有提供其器件測試的詳情,如飛兆半導體提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”( Power MOSFET Avalanche Guidelines–可以到Fairchild網站去下載)。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。

第四步:決定開關性能

選擇MOSFET的最後壹步是決定MOSFET的開關性能。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。這些電容會在器件中產生開關損耗,因為在每次開關時都要對它們充電。MOSFET的開關速度因此被降低,器件效率也下降。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)。MOSFET開關的總功率可用如下方程表達:Psw=(Eon+Eoff)×開關頻率。而柵極電荷(Qgd)對開關性能的影響最大。
基於開關性能的重要性,新的技術正在不斷開發以解決這個開關問題。芯片尺寸的增加會加大柵極電荷;而這會使器件尺寸增大。為了減少開關損耗,新的技術如溝道厚底氧化已經應運而生,旨在減少柵極電荷。舉例說,SuperFET這種新技術就可通過降低RDS(ON)和柵極電荷(Qg),最大限度地減少傳導損耗和提高開關性能。這樣,MOSFET就能應對開關過程中的高速電壓瞬變(dv/dt)和電流瞬變(di/dt),甚至可在更高的開關頻率下可靠地工作。