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P沟道(dao)(dao)(dao)和N沟道(dao)(dao)(dao)MOS管工(gong)作(zuo)原理-P沟道(dao)(dao)(dao)和N沟道(dao)(dao)(dao)MOS管应(ying)该如何选择-KIA MOS管

信息(xi)来源:本站(zhan) 日期:2018-07-23 

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P沟道和N沟道MOS管选择

正确选(xuan)择MOS管(guan)是很(hen)重要的(de)一个环节,MOS管(guan)选(xuan)择不(bu)好有可能(neng)影响到整个电路(lu)的(de)效率和成本,了解不(bu)同的(de)MOS管(guan)部件的(de)细微差别及(ji)不(bu)同开关电路(lu)中的(de)应力(li)能(neng)够帮助工程师避(bi)免诸多问(wen)题,下面我们(men)来学习下MOS管(guan)的(de)正确的(de)选(xuan)择方(fang)法。

第一步:选用N沟道还是P沟道

为设计(ji)选择正确器(qi)件的第(di)一(yi)(yi)步是(shi)(shi)决定采(cai)(cai)用(yong)N沟(gou)道(dao)还(hai)是(shi)(shi)P沟(gou)道(dao)MOS管(guan)(guan)(guan)。在(zai)(zai)典型(xing)的功率(lv)应用(yong)中(zhong)(zhong),当一(yi)(yi)个(ge)MOS管(guan)(guan)(guan)接(jie)地(di),而(er)负(fu)载(zai)(zai)连(lian)接(jie)到干线(xian)电压(ya)(ya)上时,该MOS管(guan)(guan)(guan)就构成了低压(ya)(ya)侧(ce)(ce)开(kai)关。在(zai)(zai)低压(ya)(ya)侧(ce)(ce)开(kai)关中(zhong)(zhong),应采(cai)(cai)用(yong)N沟(gou)道(dao)MOS管(guan)(guan)(guan),这(zhei)是(shi)(shi)出(chu)于对关闭(bi)或导(dao)通器(qi)件所需电压(ya)(ya)的考虑(lv)。当MOS管(guan)(guan)(guan)连(lian)接(jie)到总线(xian)及负(fu)载(zai)(zai)接(jie)地(di)时,就要用(yong)高压(ya)(ya)侧(ce)(ce)开(kai)关。通常会在(zai)(zai)这(zhei)个(ge)拓扑中(zhong)(zhong)采(cai)(cai)用(yong)P沟(gou)道(dao)MOS管(guan)(guan)(guan),这(zhei)也是(shi)(shi)出(chu)于对电压(ya)(ya)驱动的考虑(lv)。

要选择适(shi)合应(ying)用的(de)(de)器件(jian),必须(xu)确(que)定(ding)(ding)驱动器件(jian)所需(xu)(xu)的(de)(de)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya),以及(ji)在设计中(zhong)最(zui)(zui)简(jian)易执行的(de)(de)方法。下一步是确(que)定(ding)(ding)所需(xu)(xu)的(de)(de)额(e)(e)定(ding)(ding)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya),或者(zhe)器件(jian)所能(neng)(neng)(neng)承受的(de)(de)最(zui)(zui)大(da)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)。额(e)(e)定(ding)(ding)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)越(yue)大(da),器件(jian)的(de)(de)成(cheng)本(ben)就越(yue)高(gao)。根据实践经验,额(e)(e)定(ding)(ding)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)应(ying)当大(da)于干线电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)或总线电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)。这样才(cai)能(neng)(neng)(neng)提供(gong)足够的(de)(de)保护(hu),使MOS管(guan)不(bu)会失(shi)效。就选择MOS管(guan)而言,必须(xu)确(que)定(ding)(ding)漏极至源极间可能(neng)(neng)(neng)承受的(de)(de)最(zui)(zui)大(da)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya),即(ji)最(zui)(zui)大(da)VDS.知道MOS管(guan)能(neng)(neng)(neng)承受的(de)(de)最(zui)(zui)大(da)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)会随(sui)温度而变化这点十分重要。设计人员必须(xu)在整(zheng)个工作温度范围内测试电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)的(de)(de)变化范围。额(e)(e)定(ding)(ding)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)必须(xu)有足够的(de)(de)余量覆盖这个变化范围,确(que)保电(dian)(dian)路不(bu)会失(shi)效。设计工程师需(xu)(xu)要考虑的(de)(de)其(qi)他安全因(yin)素(su)包括由开关电(dian)(dian)子设备(如电(dian)(dian)机或变压(ya)(ya)(ya)器)诱发(fa)的(de)(de)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)瞬(shun)变。不(bu)同(tong)应(ying)用的(de)(de)额(e)(e)定(ding)(ding)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)也有所不(bu)同(tong);通常,便(bian)携式设备为(wei)20V、FPGA电(dian)(dian)源为(wei)20~30V、85~220VAC应(ying)用为(wei)450~600V.

第二步:确定额定电流

第二步是(shi)选择P沟(gou)道和N沟(gou)道MOS管(guan)的额(e)(e)定电(dian)流。视电(dian)路结构(gou)而定,该额(e)(e)定电(dian)流应是(shi)负载(zai)在所有情(qing)(qing)况下(xia)能够承受(shou)的最大电(dian)流。与电(dian)压的情(qing)(qing)况相似,设计人员(yuan)必须(xu)确(que)保所选的MOS管(guan)能承受(shou)这(zhei)个额(e)(e)定电(dian)流,即使(shi)在系统产(chan)生尖峰(feng)电(dian)流时。两个考虑的电(dian)流情(qing)(qing)况是(shi)连续(xu)(xu)模(mo)式(shi)和脉(mai)冲(chong)尖峰(feng)。在连续(xu)(xu)导通(tong)模(mo)式(shi)下(xia),MOS管(guan)处(chu)于稳(wen)态,此(ci)时电(dian)流连续(xu)(xu)通(tong)过器件。脉(mai)冲(chong)尖峰(feng)是(shi)指(zhi)有大量电(dian)涌(或尖峰(feng)电(dian)流)流过器件。一(yi)旦确(que)定了(le)这(zhei)些条(tiao)件下(xia)的最大电(dian)流,只需直接选择能承受(shou)这(zhei)个最大电(dian)流的器件便可。

选好(hao)额(e)定电(dian)(dian)流后,还必须计(ji)(ji)算导(dao)(dao)通(tong)(tong)损(sun)(sun)耗(hao)。在实际情况下,MOS管并(bing)不是理想的(de)器(qi)件,因(yin)为(wei)(wei)在导(dao)(dao)电(dian)(dian)过程中(zhong)会(hui)有电(dian)(dian)能(neng)损(sun)(sun)耗(hao),这称之为(wei)(wei)导(dao)(dao)通(tong)(tong)损(sun)(sun)耗(hao)。MOS管在"导(dao)(dao)通(tong)(tong)"时就(jiu)像一(yi)个可变(bian)(bian)电(dian)(dian)阻,由器(qi)件的(de)RDS(ON)所确定,并(bing)随(sui)温(wen)度而显着变(bian)(bian)化。器(qi)件的(de)功(gong)率耗(hao)损(sun)(sun)可由Iload2×RDS(ON)计(ji)(ji)算,由于导(dao)(dao)通(tong)(tong)电(dian)(dian)阻随(sui)温(wen)度变(bian)(bian)化,因(yin)此(ci)功(gong)率耗(hao)损(sun)(sun)也会(hui)随(sui)之按(an)比例变(bian)(bian)化。对(dui)(dui)MOS管施加(jia)的(de)电(dian)(dian)压VGS越(yue)高(gao),RDS(ON)就(jiu)会(hui)越(yue)小;反之RDS(ON)就(jiu)会(hui)越(yue)高(gao)。对(dui)(dui)系统设计(ji)(ji)人(ren)员来说,这就(jiu)是取(qu)决于系统电(dian)(dian)压而需要折(zhe)中(zhong)权衡的(de)地方。对(dui)(dui)便携式设计(ji)(ji)来说,采用较(jiao)低的(de)电(dian)(dian)压比较(jiao)容易(较(jiao)为(wei)(wei)普遍),而对(dui)(dui)于工(gong)业设计(ji)(ji),可采用较(jiao)高(gao)的(de)电(dian)(dian)压。注(zhu)意RDS(ON)电(dian)(dian)阻会(hui)随(sui)着电(dian)(dian)流轻(qing)微上升。关于RDS(ON)电(dian)(dian)阻的(de)各种电(dian)(dian)气参数变(bian)(bian)化可在制(zhi)造商提供的(de)技术资料表中(zhong)查(cha)到。

技(ji)术(shu)(shu)对器(qi)件的(de)特性有(you)着重大(da)(da)影响,因为(wei)有(you)些技(ji)术(shu)(shu)在提(ti)高(gao)最(zui)大(da)(da)VDS时往往会使RDS(ON)增(zeng)大(da)(da)。对于这样的(de)技(ji)术(shu)(shu),如(ru)果(guo)打算(suan)降低VDS和RDS(ON),那么就得增(zeng)加(jia)晶片(pian)尺(chi)寸,从(cong)而增(zeng)加(jia)与之配(pei)套的(de)封装(zhuang)尺(chi)寸及相关的(de)开发成本。业界现有(you)好几(ji)种试(shi)图控制晶片(pian)尺(chi)寸增(zeng)加(jia)的(de)技(ji)术(shu)(shu),其中最(zui)主要的(de)是沟道和电(dian)荷(he)平(ping)衡(heng)技(ji)术(shu)(shu)。

在(zai)沟道技术(shu)中,晶(jing)(jing)片(pian)(pian)中嵌(qian)入(ru)了(le)(le)一(yi)个深沟,通常是为低(di)电压预留的(de)(de),用(yong)于(yu)降低(di)导通电阻RDS(ON)。为了(le)(le)减少(shao)最(zui)大VDS对(dui)(dui)RDS(ON)的(de)(de)影响,开发(fa)过程(cheng)中采用(yong)了(le)(le)外(wai)延生长柱/蚀刻柱工(gong)艺。例如,飞兆半导体开发(fa)了(le)(le)称(cheng)为SupeRFET的(de)(de)技术(shu),针(zhen)对(dui)(dui)RDS(ON)的(de)(de)降低(di)而增(zeng)加(jia)了(le)(le)额外(wai)的(de)(de)制造步骤。这(zhei)种(zhong)对(dui)(dui)RDS(ON)的(de)(de)关注十分(fen)重要,因(yin)为当标准MOSFET的(de)(de)击(ji)穿(chuan)电压升高时(shi),RDS(ON)会随之呈(cheng)指数级增(zeng)加(jia),并且导致晶(jing)(jing)片(pian)(pian)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)增(zeng)大。SuperFET工(gong)艺将(jiang)RDS(ON)与晶(jing)(jing)片(pian)(pian)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)间的(de)(de)指数关系变(bian)成了(le)(le)线性(xing)关系。这(zhei)样,SuperFET器(qi)件便可在(zai)小晶(jing)(jing)片(pian)(pian)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun),甚(shen)至在(zai)击(ji)穿(chuan)电压达到600V的(de)(de)情(qing)况(kuang)下,实现(xian)理想的(de)(de)低(di)RDS(ON)。结果是晶(jing)(jing)片(pian)(pian)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)可减小达35%.而对(dui)(dui)于(yu)最(zui)终用(yong)户来说,这(zhei)意味着封装尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)的(de)(de)大幅减小。

第三步:确定热要求

P沟道和N沟道MOS管(guan)选(xuan)择的(de)(de)下一步是(shi)计算(suan)(suan)系(xi)统(tong)的(de)(de)散(san)热要(yao)求。设(she)(she)计人(ren)员必(bi)须(xu)考(kao)虑两种(zhong)不(bu)(bu)同的(de)(de)情况(kuang),即(ji)最(zui)(zui)坏情况(kuang)和真实情况(kuang)。建(jian)议采(cai)用(yong)针对(dui)最(zui)(zui)坏情况(kuang)的(de)(de)计算(suan)(suan)结(jie)果(guo),因(yin)为这(zhei)个(ge)(ge)结(jie)果(guo)提供更大(da)的(de)(de)安全余(yu)量,能确保系(xi)统(tong)不(bu)(bu)会失效(xiao)。在(zai)MOS管(guan)的(de)(de)资料表上还有一些需(xu)要(yao)注意的(de)(de)测量数(shu)据(ju);比如封装器(qi)件的(de)(de)半导(dao)体(ti)结(jie)与环(huan)境之(zhi)间的(de)(de)热阻(zu),以(yi)及最(zui)(zui)大(da)的(de)(de)结(jie)温(wen)(wen)。器(qi)件的(de)(de)结(jie)温(wen)(wen)等于(yu)最(zui)(zui)大(da)环(huan)境温(wen)(wen)度加上热阻(zu)与功率(lv)耗散(san)的(de)(de)乘积(结(jie)温(wen)(wen)=最(zui)(zui)大(da)环(huan)境温(wen)(wen)度+[热阻(zu)×功率(lv)耗散(san)])。根据(ju)这(zhei)个(ge)(ge)方程(cheng)可(ke)解(jie)出(chu)系(xi)统(tong)的(de)(de)最(zui)(zui)大(da)功率(lv)耗散(san),即(ji)按(an)定义相(xiang)等于(yu)I2×RDS(ON)。由于(yu)设(she)(she)计人(ren)员已确定将(jiang)要(yao)通过(guo)器(qi)件的(de)(de)最(zui)(zui)大(da)电(dian)(dian)流,因(yin)此可(ke)以(yi)计算(suan)(suan)出(chu)不(bu)(bu)同温(wen)(wen)度下的(de)(de)RDS(ON)。值得注意的(de)(de)是(shi),在(zai)处理简(jian)单热模型时,设(she)(she)计人(ren)员还必(bi)须(xu)考(kao)虑半导(dao)体(ti)结(jie)/器(qi)件外(wai)壳及外(wai)壳/环(huan)境的(de)(de)热容量;即(ji)要(yao)求印刷电(dian)(dian)路板和封装不(bu)(bu)会立即(ji)升温(wen)(wen)。

雪(xue)崩击穿是指半导(dao)体器(qi)件(jian)上的(de)反向电(dian)压(ya)超过最大值,并形成强(qiang)电(dian)场使器(qi)件(jian)内电(dian)流(liu)增加。该电(dian)流(liu)将耗散功率,使器(qi)件(jian)的(de)温度升高(gao),而(er)且有可能损坏器(qi)件(jian)。半导(dao)体公(gong)司(si)都(dou)会对(dui)(dui)(dui)器(qi)件(jian)进行雪(xue)崩测(ce)试,计(ji)(ji)算其雪(xue)崩电(dian)压(ya),或对(dui)(dui)(dui)器(qi)件(jian)的(de)稳健性进行测(ce)试。计(ji)(ji)算额定雪(xue)崩电(dian)压(ya)有两种方(fang)法(fa);一是统计(ji)(ji)法(fa),另(ling)一是热计(ji)(ji)算。而(er)热算因为(wei)较为(wei)实用(yong)(yong)而(er)得到广泛(fan)采用(yong)(yong)。除计(ji)(ji)算外,技术对(dui)(dui)(dui)雪(xue)崩效应也有很大影响。例如(ru),晶片尺寸的(de)增加会提(ti)高(gao)抗(kang)雪(xue)崩能力(li),最终提(ti)高(gao)器(qi)件(jian)的(de)稳健性。对(dui)(dui)(dui)最终用(yong)(yong)户而(er)言,这意(yi)味(wei)着要在系统中采用(yong)(yong)更大的(de)封装件(jian)。

第四步:决定开关性能

P沟道和N沟道MOS管选择的(de)(de)(de)(de)最(zui)(zui)后一步是决定MOS管的(de)(de)(de)(de)开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)性能。影响开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)性能的(de)(de)(de)(de)参数有很多,但最(zui)(zui)重要的(de)(de)(de)(de)是栅极(ji)/漏(lou)极(ji)、栅极(ji)/ 源(yuan)极(ji)及漏(lou)极(ji)/源(yuan)极(ji)电(dian)容。这些电(dian)容会(hui)在器件中产生开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)损耗,因(yin)为(wei)在每次开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)时(shi)都要对(dui)(dui)它们充电(dian)。MOS管的(de)(de)(de)(de)开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)速度因(yin)此被(bei)降低(di),器件效率(lv)也下降。为(wei)计(ji)算(suan)开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)过程(cheng)中器件的(de)(de)(de)(de)总损耗,设(she)计(ji)人员(yuan)必须计(ji)算(suan)开(kai)(kai)通过程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)损耗(Eon)和关(guan)(guan)(guan)闭过程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)损耗(Eoff)。MOSFET开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)总功率(lv)可(ke)用(yong)如下方程(cheng)表达:Psw=(Eon+Eoff)×开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)频率(lv)。而栅极(ji)电(dian)荷(he)(Qgd)对(dui)(dui)开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)性能的(de)(de)(de)(de)影响最(zui)(zui)大。

N沟道与P沟道工作原理

在实(shi)际项目中(zhong),我们基本都用增强(qiang)型mos管,分为N沟道(dao)和P沟道(dao)两种。

P沟道和N沟道MOS管选择

我(wo)们常用的是(shi)NMOS,因为其导通(tong)电(dian)阻小,且容(rong)易制造。在(zai)MOS管(guan)(guan)原理图上可(ke)以看到(dao),漏极和源极之间有一个(ge)寄生二极管(guan)(guan)。这个(ge)叫体二极管(guan)(guan),在(zai)驱动感(gan)性负(fu)载(如马达),这个(ge)二极管(guan)(guan)很重要。顺便(bian)说一句(ju),体二极管(guan)(guan)只(zhi)在(zai)单个(ge)的MOS管(guan)(guan)中存在(zai),在(zai)集(ji)成电(dian)路芯片内部通(tong)常是(shi)没(mei)有的。

P沟道和N沟道MOS管选择

1.导通特性

NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源(yuan)极接(jie)地时的情况(低端驱(qu)动),只要栅极电压达到(dao)4V或(huo)10V就可(ke)以(yi)了。

PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用(yong)于源极接VCC时的情(qing)况(高(gao)(gao)端驱动)。但是(shi),虽然PMOS可以很方(fang)便地用(yong)作高(gao)(gao)端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替(ti)换种类少(shao)等(deng)原因(yin),在高(gao)(gao)端驱动中(zhong),通常还是(shi)使用(yong)NMOS。

2.MOS开关管损失

不管(guan)是NMOS还是PMOS,导(dao)通(tong)后都有导(dao)通(tong)电阻(zu)(zu)存在(zai),这样(yang)电流就会(hui)在(zai)这个电阻(zu)(zu)上消(xiao)耗能量(liang),这部分(fen)消(xiao)耗的能量(liang)叫做(zuo)导(dao)通(tong)损(sun)耗。选(xuan)择(ze)导(dao)通(tong)电阻(zu)(zu)小的MOS管(guan)会(hui)减(jian)小导(dao)通(tong)损(sun)耗。现在(zai)的小功(gong)率MOS管(guan)导(dao)通(tong)电阻(zu)(zu)一般在(zai)几十毫(hao)欧左右,几毫(hao)欧的也(ye)有。

MOS在导通(tong)和截止的时候,一(yi)定不是在瞬间完(wan)成(cheng)的。MOS两端的电压有(you)一(yi)个(ge)下降的过(guo)程(cheng),流过(guo)的电流有(you)一(yi)个(ge)上(shang)升的过(guo)程(cheng),在这段时间内,MOS管的损(sun)(sun)失是电压和电流的乘积,叫做开关损(sun)(sun)失。通(tong)常开关损(sun)(sun)失比导通(tong)损(sun)(sun)失大得(de)多,而且(qie)开关频率越高,损(sun)(sun)失也(ye)越大。

导通瞬(shun)间(jian)(jian)电压(ya)和电流(liu)的乘积(ji)很大,造成的损失也就很大。缩短开关时(shi)间(jian)(jian),可(ke)以(yi)减(jian)(jian)小每次(ci)导通时(shi)的损失;降低开关频率,可(ke)以(yi)减(jian)(jian)小单(dan)位时(shi)间(jian)(jian)内(nei)的开关次(ci)数。这两种办法(fa)都(dou)可(ke)以(yi)减(jian)(jian)小开关损失。

3.MOS管驱动(dong)

跟双(shuang)极性(xing)晶体(ti)管(guan)相(xiang)比,一般认(ren)为使MOS管(guan)导通不需要电(dian)流,只(zhi)要GS电(dian)压高于一定的(de)值,就可以了。这个很(hen)容易做到,但是,我们还需要速度。

在(zai)MOS管(guan)的(de)结构(gou)中可(ke)以(yi)看(kan)到(dao),在(zai)GS,GD之间存在(zai)寄生电(dian)(dian)容(rong),而(er)MOS管(guan)的(de)驱动(dong),实际上就是对电(dian)(dian)容(rong)的(de)充放(fang)电(dian)(dian)。对电(dian)(dian)容(rong)的(de)充电(dian)(dian)需要一个电(dian)(dian)流,因(yin)为(wei)对电(dian)(dian)容(rong)充电(dian)(dian)瞬间可(ke)以(yi)把电(dian)(dian)容(rong)看(kan)成短路,所以(yi)瞬间电(dian)(dian)流会(hui)比较大。选择/设(she)计(ji)MOS管(guan)驱动(dong)时第(di)一要注(zhu)意的(de)是可(ke)提供瞬间短路电(dian)(dian)流的(de)大小。

第二(er)注(zhu)意(yi)的是,普遍用于高端(duan)驱动的NMOS,导(dao)通时需要是栅(zha)极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)大(da)(da)于源极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)。而高端(duan)驱动的MOS管(guan)导(dao)通时源极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)与漏极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(VCC)相(xiang)同,所(suo)以这时栅(zha)极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)要比(bi)VCC大(da)(da)4V或10V。如果在(zai)同一个系统(tong)里,要得到(dao)比(bi)VCC大(da)(da)的电(dian)(dian)(dian)压(ya),就要专门(men)的升压(ya)电(dian)(dian)(dian)路(lu)了。很多马达驱动器都集(ji)成了电(dian)(dian)(dian)荷泵,要注(zhu)意(yi)的是应(ying)该(gai)选择合适的外接电(dian)(dian)(dian)容,以得到(dao)足够的短(duan)路(lu)电(dian)(dian)(dian)流去驱动MOS管(guan)。



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