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开关电源中的MOS管

今天我们在来一同学习下开关电源上面要怎样选择MOS管吧，看下开关电源上面选用MOS管应留意那些东西，哪些参数是MOS管在开关电源中起着决议性作用的，请往下看。
如今(jin)让我们(men)思索(suo)开关(guan)(guan)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)应用(yong)(yong)(yong)，以及这种(zhong)应用(yong)(yong)(yong)如何(he)需求(qiu)(qiu)从一个不同的(de)(de)角度来(lai)审视数(shu)据(ju)手册(ce)。从定义上(shang)而言，这种(zhong)应用(yong)(yong)(yong)需求(qiu)(qiu)MOS管定期(qi)导通(tong)和关(guan)(guan)断。同时，有数(shu)十种(zhong)拓扑可用(yong)(yong)(yong)于(yu)开关(guan)(guan)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)，这里(li)思索(suo)一个简(jian)单的(de)(de)例子。DC-DC电(dian)(dian)(dian)源(yuan)中常用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)根(gen)本降压转(zhuan)换器(qi)依赖两(liang)个MOS管来(lai)执行(xing)开关(guan)(guan)功用(yong)(yong)(yong)(图2)，这些开关(guan)(guan)交替在(zai)电(dian)(dian)(dian)感里(li)存储能(neng)量，然(ran)后把(ba)能(neng)量释放(fang)给负载。目前，设计人员常常选(xuan)择数(shu)百kHz乃至1 MHz以上(shang)的(de)(de)频率，由(you)于(yu)频率越高，磁性(xing)元件能(neng)够更小(xiao)更轻。

开(kai)(kai)关(guan)(guan)电(dian)源上(shang)的(de)MOS管(guan)选择办法图(tu)2：用于(yu)开(kai)(kai)关(guan)(guan)电(dian)源应(ying)用的(de)MOS管(guan)对。(DC-DC控制器)显然，电(dian)源设计相当复(fu)杂，而且也没有一(yi)(yi)(yi)个简单的(de)公式可用于(yu)MOS管(guan)的(de)评(ping)价。但我们无妨思索一(yi)(yi)(yi)些(xie)关(guan)(guan)键(jian)的(de)参数，以及这些(xie)参数为(wei)什(shen)么至关(guan)(guan)重要。传统上(shang)，许(xu)多电(dian)源设计人(ren)员都采用一(yi)(yi)(yi)个综(zong)合质(zhi)量(liang)因数(栅极电(dian)荷QG ×导通阻抗RDS(ON))来评(ping)价MOS管(guan)或对之(zhi)停止等级(ji)划分。

 栅(zha)极电荷和导(dao)通阻抗之所以(yi)重要，是由于二者都对电源的(de)效(xiao)率有直接的(de)影(ying)响。对效(xiao)率有影(ying)响的(de)损耗主要分为(wei)两种(zhong)方(fang)式(shi)--传导(dao)损耗和开关损耗。

栅(zha)(zha)(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)荷是产生开关(guan)损耗的(de)(de)主要(yao)缘由(you)。栅(zha)(zha)(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)荷单位为(wei)纳库(ku)仑(lun)(nc)，是MOS管(guan)栅(zha)(zha)(zha)极(ji)充电(dian)(dian)(dian)放电(dian)(dian)(dian)所需(xu)的(de)(de)能量。栅(zha)(zha)(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)荷和(he)导(dao)(dao)通(tong)阻抗(kang)RDS(ON) 在半(ban)导(dao)(dao)体设(she)计和(he)制造工艺中(zhong)互相关(guan)联，普通(tong)来说，器件的(de)(de)栅(zha)(zha)(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)荷值较低(di)，其导(dao)(dao)通(tong)阻抗(kang)参数就稍(shao)高。开关(guan)电(dian)(dian)(dian)源中(zhong)第(di)二重要(yao)的(de)(de)MOS管(guan)参数包括输出电(dian)(dian)(dian)容、阈(yu)值电(dian)(dian)(dian)压、栅(zha)(zha)(zha)极(ji)阻抗(kang)和(he)雪崩能量。

某些(xie)(xie)特殊的拓扑也会(hui)改动不同MOS管(guan)参数的相关(guan)(guan)(guan)质量，例如，能(neng)够把传统的同步降(jiang)压转换(huan)器与(yu)谐振(zhen)转换(huan)器做比拟(ni)。谐振(zhen)转换(huan)器只(zhi)在VDS (漏(lou)源电压)或ID (漏(lou)极电流)过(guo)零(ling)时才停(ting)止MOS管(guan)开(kai)关(guan)(guan)(guan)，从(cong)而可把开(kai)关(guan)(guan)(guan)损(sun)耗(hao)降(jiang)至最(zui)低。这(zhei)些(xie)(xie)技(ji)术(shu)被成为软开(kai)关(guan)(guan)(guan)或零(ling)电压开(kai)关(guan)(guan)(guan)(ZVS)或零(ling)电流开(kai)关(guan)(guan)(guan)(ZCS)技(ji)术(shu)。由于(yu)开(kai)关(guan)(guan)(guan)损(sun)耗(hao)被最(zui)小化，RDS(ON) 在这(zhei)类拓扑中显得愈(yu)加(jia)重要。

低输(shu)出(chu)电(dian)(dian)容(COSS)值(zhi)对(dui)这两类转换器都大有益处。谐(xie)(xie)振(zhen)转换器中的(de)谐(xie)(xie)振(zhen)电(dian)(dian)路(lu)主要由变压器的(de)漏电(dian)(dian)感与COSS决议。

此外，在两个MOS管关(guan)(guan)(guan)断的死区时间内(nei)，谐(xie)振(zhen)电(dian)(dian)路必需(xu)让COSS完整放电(dian)(dian)。低输(shu)出(chu)电(dian)(dian)容(rong)也有利(li)于传(chuan)统(tong)的降压转换器(qi)(有时又称为硬开(kai)关(guan)(guan)(guan)转换器(qi))，不过(guo)缘由(you)(you)不同(tong)。由(you)(you)于每个硬开(kai)关(guan)(guan)(guan)周期存(cun)储在输(shu)出(chu)电(dian)(dian)容(rong)中(zhong)的能量会丧失，反之(zhi)在谐(xie)振(zhen)转换器(qi)中(zhong)能量重复(fu)循环。因而，低输(shu)出(chu)电(dian)(dian)容(rong)关(guan)(guan)(guan)于同(tong)步降压调理器(qi)的低边开(kai)关(guan)(guan)(guan)特别重要(yao)。

开关电源上的MOS管选择办法

MOS管最常见的应用可能是电源中的开关元件，此外，它们对电源输出也大有裨益。效劳器和通讯设备等应用普通都配置有多个并行电源，以支持N+1 冗余与持续工作 (图1)。各并行电源均匀分担负载，确保系统即便在一个电源呈现毛病的状况下依然可以继续工作。不过，这种架构还需求一种办法把并行电源的输出衔接在一同，并保证某个电源的毛病不会影响到其它的电源。在每个电源的输出端，有一个功率MOS管能够让众电源分担负载，同时各电源又彼此隔离 。起这种作用的MOS管被称为"ORing"FET，由于它们实质上是以 "OR" 逻辑来衔接多个电源的输出。

开关(guan)(guan)(guan)电源上的MOS管选择(ze)办(ban)法图1：用(yong)于(yu)针对N+1冗余拓扑的并行电源控制(zhi)的MOS管在(zai)ORing FET应(ying)用(yong)中，MOS管的作(zuo)用(yong)是开关(guan)(guan)(guan)器(qi)(qi)件，但(dan)是由(you)于(yu)效劳器(qi)(qi)类应(ying)用(yong)中电源不连续工作(zuo)，这(zhei)个(ge)开关(guan)(guan)(guan)实(shi)践上一(yi)直处于(yu)导通(tong)状(zhuang)态。其开关(guan)(guan)(guan)功用(yong)只发挥在(zai)启动和关(guan)(guan)(guan)断，以及电源呈(cheng)现缺点之(zhi)时 。

相(xiang)比从事(shi)以开关(guan)为(wei)中心(xin)应用的设计(ji)(ji)人(ren)员，ORing FET应用设计(ji)(ji)人(ren)员显然必(bi)需(xu)关(guan)注MOS管(guan)的不同特性(xing)。以效劳器为(wei)例，在正常(chang)工作期(qi)间(jian)，MOS管(guan)只相(xiang)当于(yu)一个导(dao)体。因而，ORing FET应用设计(ji)(ji)人(ren)员最(zui)关(guan)怀的是最(zui)小传导(dao)损耗。

低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺(chi)寸降至最小

普通(tong)而(er)言，MOS管(guan)制造商采用RDS(ON) 参数来(lai)定(ding)义导通(tong)阻抗(kang);对ORing FET应用来(lai)说，RDS(ON) 也是(shi)最重要的器件特性。数据手册定(ding)义RDS(ON) 与栅极(ji) (或驱动) 电压 VGS 以及流经开关(guan)的电流有关(guan)，但关(guan)于(yu)充沛的栅极(ji)驱动，RDS(ON) 是(shi)一(yi)个相对静态参数。

若设(she)计(ji)(ji)人(ren)(ren)员试图(tu)开(kai)发尺寸最(zui)小、本钱最(zui)低的电(dian)源，低导通阻抗更是加倍(bei)的重要(yao)。在(zai)电(dian)源设(she)计(ji)(ji)中，每个(ge)电(dian)源常常需求多(duo)个(ge)ORing MOS管(guan)并行工(gong)作，需求多(duo)个(ge)器件(jian)来把电(dian)传(chuan)播送(song)给负载(zai)。在(zai)许(xu)多(duo)状况下，设(she)计(ji)(ji)人(ren)(ren)员必需并联MOS管(guan)，以有效(xiao)降低RDS(ON)。

需谨记，在 DC 电(dian)路中，并联电(dian)阻性负载的等效(xiao)阻抗小于(yu)每个(ge)负载单独的阻抗值(zhi)。比方，两个(ge)并联的2Ω 电(dian)阻相当于(yu)一(yi)(yi)个(ge)1Ω的电(dian)阻 。因(yin)而，普通来说，一(yi)(yi)个(ge)低RDS(ON) 值(zhi)的MOS管(guan)，具备大额定电(dian)流(liu)，就能够让设计人员把(ba)电(dian)源中所用MOS管(guan)的数目减(jian)至(zhi)最少。

除(chu)了(le)(le)RDS(ON)之外，在(zai)MOS管的(de)(de)选择过(guo)程中(zhong)还有(you)几个MOS管参(can)数也对(dui)电(dian)(dian)源设(she)计(ji)人(ren)员十分重要。许多状况下，设(she)计(ji)人(ren)员应该亲密关(guan)(guan)注数据手册(ce)上的(de)(de)平(ping)(ping)安工(gong)作区(SOA)曲线，该曲线同时描绘了(le)(le)漏(lou)极电(dian)(dian)流和漏(lou)源电(dian)(dian)压的(de)(de)关(guan)(guan)系。根(gen)本上，SOA定义了(le)(le)MOSFET可以平(ping)(ping)安工(gong)作的(de)(de)电(dian)(dian)源电(dian)(dian)压和电(dian)(dian)流。在(zai)ORing FET应用中(zhong)，首要问题是：在(zai)"完整导(dao)通状态"下FET的(de)(de)电(dian)(dian)传(chuan)播送(song)才能。实(shi)践上无需(xu)SOA曲线也能够取(qu)得漏(lou)极电(dian)(dian)流值。

若设计(ji)是完成(cheng)热(re)插拔(ba)功用(yong)，SOA曲线或许更能发(fa)挥作用(yong)。在这种状况下，MOS管需求局(ju)部导通工作。SOA曲线定义了不同脉冲期间(jian)的电流和(he)电压(ya)限值。

留(liu)意刚刚提(ti)到的(de)(de)额(e)定电流，这也(ye)是(shi)值得思索的(de)(de)热参(can)数(shu)，由(you)于一直(zhi)导通的(de)(de)MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)很容易发热。另外(wai)(wai)，日渐升高(gao)的(de)(de)结(jie)(jie)温也(ye)会招(zhao)致RDS(ON)的(de)(de)增(zeng)加。MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)数(shu)据手(shou)册规则(ze)了热阻抗(kang)参(can)数(shu)，其定义(yi)(yi)为MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)封(feng)(feng)装的(de)(de)半(ban)导体结(jie)(jie)散(san)热才能。RθJC的(de)(de)最简单的(de)(de)定义(yi)(yi)是(shi)结(jie)(jie)到管(guan)(guan)(guan)(guan)壳的(de)(de)热阻抗(kang)。细言之，在(zai)实践丈(zhang)量(liang)中(zhong)其代(dai)表从(cong)器(qi)件结(jie)(jie)(关于一个(ge)垂直(zhi)MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)，即裸(luo)(luo)片(pian)的(de)(de)上外(wai)(wai)表左近(jin))到封(feng)(feng)装表面面的(de)(de)热阻抗(kang)，在(zai)数(shu)据手(shou)册中(zhong)有(you)描绘。若采用PowerQFN封(feng)(feng)装，管(guan)(guan)(guan)(guan)壳定义(yi)(yi)为这个(ge)大漏极片(pian)的(de)(de)中(zhong)心。因而，RθJC 定义(yi)(yi)了裸(luo)(luo)片(pian)与封(feng)(feng)装系统(tong)的(de)(de)热效应。RθJA 定义(yi)(yi)了从(cong)裸(luo)(luo)片(pian)外(wai)(wai)表到四周环境的(de)(de)热阻抗(kang)，而且普通经过一个(ge)脚注来标明(ming)与PCB设计(ji)的(de)(de)关系，包括(kuo)镀铜(tong)的(de)(de)层数(shu)和厚度(du)。

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