如何為具體應用恰當?shù)倪x擇MOSFET

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ORingFET，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?；旧?，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。

　　圖2：用于開關電源應用的MOSFET對。(DC-DC控制器)