工作于線性區(qū)的功率MOSFET的設(shè)計(jì)-1

1、概述

在筆記本電腦主板、LCDTV主板、STB機(jī)頂盒等電子系統(tǒng)應(yīng)用中，內(nèi)部有不同電壓的多路電源，通常需要采用功率MOSFET作為負(fù)載切換開關(guān)，控制不同電壓的電源的上電時(shí)序；同時(shí)還有USB接口，用于輸出5V電壓，這些電源通常后面帶有較大的電容，也需要負(fù)載開關(guān)，限制后面電容在上電的過程中充電產(chǎn)生的大的浪涌電流，以保護(hù)后面所帶的負(fù)載芯片的安全，同時(shí)不會(huì)導(dǎo)致前面的電源電壓的跌落產(chǎn)生復(fù)位的問題。

筆記本電腦主板19V輸入端，有二個(gè)背靠背的功率MOSFET，一個(gè)用于負(fù)載開關(guān)作軟起動(dòng)，限制浪涌電流，另一個(gè)用于防反接。

圖1：筆記本電腦電源

圖2：筆記本電腦主板輸入電路

在通訊系統(tǒng)中，也廣泛使用熱插撥電路，由功率MOSFET組成的熱插撥電路和上述的負(fù)載開關(guān)的功能類同。在這些應(yīng)用中，通常在功率MOSFET的柵極和源極或柵極和漏極并聯(lián)額外的電容，延長(zhǎng)功率MOSFET在線性區(qū)的時(shí)間，以限制流涌的電流。從圖7波形可以明顯看到：功率MOSFET完全導(dǎo)通前，有比較長(zhǎng)的一段時(shí)間工作于時(shí)間線性區(qū)。

圖3：通信系統(tǒng)機(jī)房

圖4：通信系統(tǒng)機(jī)柜板卡熱插撥

圖5：通信系統(tǒng)機(jī)柜

圖6：通信系統(tǒng)板卡電路

圖7：通信系統(tǒng)板卡熱插撥波形

在電池保持板PCM過流關(guān)斷的過程中，從波形可以看到：功率MOSFET同樣也有較長(zhǎng)的一段時(shí)間工作于線性區(qū)。

圖8：電池保持板電路

圖9：電池保持板關(guān)斷波形

在一些輸出電壓需要低噪聲的應(yīng)用，如輸出為12V、24V的供電電源，通常在開關(guān)電源輸出的后面接線性的穩(wěn)壓器來降低噪聲，由于成本考慮或找不到合適的集成線性穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器，一般采用分立元件方案組成線性穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器，使用中壓的功率MOSFET作為調(diào)整管；在一些風(fēng)扇或電機(jī)調(diào)速的應(yīng)用中，也是采用功率MOSFET作調(diào)整管，通過控制VGS的電壓，來調(diào)節(jié)漏極的電流，從而控制風(fēng)扇、電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這些應(yīng)用中，功率MOSFET完全工作在線性區(qū)。

然而，在開關(guān)電源中，功率MOSFET工作在完全關(guān)斷或完全導(dǎo)通狀態(tài)，通過線性區(qū)的速度比較快，也就是驅(qū)動(dòng)電壓VGS從閾值電壓VGS(th)開始，到米勒平臺(tái)結(jié)束的這段時(shí)間，比較快，即使如此，也產(chǎn)生了較大的開關(guān)損耗。

功率MOSFET工作完全工作在線性區(qū)或者長(zhǎng)的時(shí)間工作在線性區(qū)，會(huì)產(chǎn)生非常大的功率損耗，產(chǎn)生高的熱應(yīng)力；同時(shí)由于工作電壓高，內(nèi)部電場(chǎng)大，容易發(fā)生單元熱不平衡而局部失效的問題。功率MOSFET工作于線性區(qū)的這些問題，將用多篇文章進(jìn)行論述，給出一些設(shè)計(jì)的參考思路。

2、功率MOSFET線性區(qū)工作

功率MOSFET也有三個(gè)工作狀態(tài)，在漏極導(dǎo)通特性曲線上，對(duì)應(yīng)的是三個(gè)工作區(qū)：截止區(qū)，線性區(qū)和可變電阻區(qū)。如圖10所示。注意到：MOSFET的線性區(qū)有時(shí)也稱為：恒流區(qū)或飽和區(qū)。

圖10：AOT1404的漏極導(dǎo)通特性

在前面柵極電荷的章節(jié)，設(shè)計(jì)過功率MOSFET的開通過程。在漏極導(dǎo)通特性曲線上，當(dāng)柵極的驅(qū)動(dòng)電壓加在柵極上時(shí)，由于柵極有輸入電容，電容的電壓不能突變，因此，柵極的電壓隨時(shí)間線性上升，此時(shí)功率MOSFET仍然工作在截止區(qū)，圖10中A-B所示。

當(dāng)柵極的電壓上升到閾值電壓時(shí)，漏極開始流過電流，此時(shí)，功率MOSFET進(jìn)入到線性區(qū)。隨著柵極的增加，漏極電流也增加，圖10中B-C所示。這個(gè)過程中，VDS電壓變化不大，CGD的電容小，因此很快的放電。 這一段時(shí)間也可稱為di/dt時(shí)間段 。

漏極電流的變化值等于器件的跨導(dǎo)乘以柵極電壓的變化值。

當(dāng)漏極的電流達(dá)到系統(tǒng)的最大允許電流時(shí)，此時(shí)漏極電流不再增加，維持最大值并保持恒定，因此，柵極的電壓受到跨導(dǎo)的限制，也要保持恒定，圖10中C-D所示。

此時(shí)，功率MOSFET會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)工作在米勒平臺(tái)區(qū)，即相對(duì)穩(wěn)定的恒流區(qū)。柵極處于米勒平臺(tái)區(qū)保持恒定的原因在于：漏極電壓VDS開始降低，那么導(dǎo)致Crss兩端的電壓VGD也會(huì)隨之急劇的變化。

從上式可以看到，只有大的電流才能產(chǎn)生大的VGD變化率，來抽取Crss的電荷，因此幾乎所有柵極的電流都被Crss抽走。同時(shí)，Crss是一個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)，在漏極電壓變化的過程中，Crss的電容值也會(huì)急劇的增加，此時(shí)動(dòng)態(tài)的Crss主導(dǎo)著輸入電容，這樣，電容CGS相對(duì)而言其回路幾乎沒有電流，因此，柵極的電壓會(huì)維持恒定，從而產(chǎn)生米勒平臺(tái)。 這一段時(shí)間也可稱為dv/dt時(shí)間段 。

當(dāng)Crss的電荷全部抽走后，米勒平臺(tái)結(jié)束，同時(shí)，VDS電壓也降到最低值，即電流和此時(shí)的RDS(on)乘積。隨后柵極電壓繼續(xù)增加，增加到驅(qū)動(dòng)電壓的最大值，如圖10中D-E所示，此時(shí)功率MOSFET進(jìn)入可變電阻區(qū)。

整個(gè)過程中，A-B為截止區(qū)，D-E為可變電阻區(qū)，B-C-D為線性工作區(qū)。線性區(qū)產(chǎn)生開關(guān)損耗，對(duì)于一個(gè)開關(guān)周期，此時(shí)間段越長(zhǎng)，開關(guān)損耗越大。

具體的開關(guān)過程， di/dt時(shí)間段和 dv/dt時(shí)間段 ， 請(qǐng)參考公眾號(hào)中以前的文章，有詳細(xì)的論述。