如何針對特定設(shè)計(jì)選擇正確的MOSFET

隨著制造技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須跟上技術(shù)的發(fā)展步伐，才能為其設(shè)計(jì)挑選最合適的電子器件。MOSFET是電氣系統(tǒng)中的基本部件，工程師需要深入了解它的關(guān)鍵特性及指標(biāo)才能做出正確選擇。

本文將討論如何根據(jù)RDS(ON)、熱性能、雪崩擊穿電壓及開關(guān)性能指標(biāo)來選擇正確的MOSFET。MOSFET有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率系統(tǒng)中，MOSFET可被看成電氣開關(guān)。當(dāng)在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時(shí)，其開關(guān)導(dǎo)通。導(dǎo)通時(shí)，電流可經(jīng)開關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個(gè)內(nèi)阻，稱為導(dǎo)通電阻RDS(ON)。必須清楚MOSFET的柵極是個(gè)高阻抗端，

因此，總是要在柵極加上一個(gè)電壓。如果柵極為懸空，器件將不能按設(shè)計(jì)意圖工作，并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻導(dǎo)通或關(guān)閉，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當(dāng)源極和柵極間的電壓為零時(shí)，開關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過器件。雖然這時(shí)器件已經(jīng)關(guān)閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即IDSS。

第一步：選用N溝道還是P溝道

為設(shè)計(jì)選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)MOSFET接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOSFET，這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOSFET連接到總線及負(fù)載接地時(shí)，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎肞溝道MOSFET，這也是出于對電壓驅(qū)動(dòng)的考慮。

要選擇適合應(yīng)用的器件，必須確定驅(qū)動(dòng)器件所需的電壓，以及在設(shè)計(jì)中最簡易執(zhí)行的方法。下一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(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，額定電壓應(yīng)當(dāng)大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護(hù)，使MOSFET不會(huì)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(huì)隨溫度而變化這點(diǎn)十分重要。設(shè)計(jì)人員必須在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)測試電壓的變化范圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個(gè)變化范圍，確保電路不會(huì)失效。設(shè)計(jì)工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關(guān)電子設(shè)備(如電機(jī)或變壓器)誘發(fā)的電壓瞬變。不同應(yīng)用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設(shè)備為20V、FPGA電源為20～30V、85～220VAC應(yīng)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(jié)構(gòu)而定，該額定電流應(yīng)是負(fù)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(shè)計(jì)人員必須確保所選的MOSFET能承受這個(gè)額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時(shí)。兩個(gè)考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，MOSFET處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件。一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(gè)最大電流的器件便可。

選好額定電流后，還必須計(jì)算導(dǎo)通損耗。在實(shí)際情況下，MOSFET并不是理想的器件，因?yàn)樵趯?dǎo)電過程中會(huì)有電能損耗，這稱之為導(dǎo)通損耗。MOSFET在“導(dǎo)通”時(shí)就像一個(gè)可變電阻，由器件的RDS(ON)所確定，并隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計(jì)算，由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì)隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會(huì)越?。环粗甊DS(ON)就會(huì)越高。對系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方。對便攜式設(shè)計(jì)來說，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對于工業(yè)設(shè)計(jì)，可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會(huì)隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS(ON)電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。

技術(shù)對器件的特性有著重大影響，因?yàn)橛行┘夹g(shù)在提高最大VDS時(shí)往往會(huì)使RDS(ON)增大。對于這樣的技術(shù)，如果打算降低VDS和RDS(ON)，那么就得增加晶片尺寸，從而增加與之配套的封裝尺寸及相關(guān)的開發(fā)成本。業(yè)界現(xiàn)有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術(shù)，其中最主要的是溝道和電荷平衡技術(shù)。

在溝道技術(shù)中，晶片中嵌入了一個(gè)深溝，通常是為低電壓預(yù)留的，用于降低導(dǎo)通電阻RDS(ON)。為了減少最大VDS對RDS(ON)的影響，開發(fā)過程中采用了外延生長柱/蝕刻柱工藝。例如，飛兆半導(dǎo)體開發(fā)了稱為SuperFET的技術(shù)，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(guān)注十分重要，因?yàn)楫?dāng)標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的擊穿電壓升高時(shí)，RDS(ON)會(huì)隨之呈指數(shù)級(jí)增加，并且導(dǎo)致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS(ON)與晶片尺寸間的指數(shù)關(guān)系變成了線性關(guān)系。這樣，SuperFET器件便可在小晶片尺寸，甚至在擊穿電壓達(dá)到600V的情況下，實(shí)現(xiàn)理想的低RDS(ON)。結(jié)果是晶片尺寸可減小達(dá)35%。而對于最終用戶來說，這意味著封裝尺寸的大幅減小。第三步：確定熱要求

選擇MOSFET的下一步是計(jì)算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會(huì)失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數(shù)據(jù)；比如封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。

器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據(jù)這個(gè)方程可解出系統(tǒng)的最大功率耗散，即按定義相等于I2×RDS(ON)。由于設(shè)計(jì)人員已確定將要通過器件的最大電流，因此可以計(jì)算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是，在處理簡單熱模型時(shí)，設(shè)計(jì)人員還必須考慮半導(dǎo)體結(jié)/器件外殼及外殼/環(huán)境的熱容量；即要求印刷電路板和封裝不會(huì)立即升溫。

雪崩擊穿是指半導(dǎo)體器件上的反向電壓超過最大值，并形成強(qiáng)電場使器件內(nèi)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(dǎo)體公司都會(huì)對器件進(jìn)行雪崩測試，計(jì)算其雪崩電壓，或?qū)ζ骷姆€(wěn)健性進(jìn)行測試。計(jì)算額定雪崩電壓有兩種方法；一是統(tǒng)計(jì)法，另一是熱計(jì)算。而熱計(jì)算因?yàn)檩^為實(shí)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(dǎo)體提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”（ Power MOSFET Avalanche Guidelines--可以到Fairchild網(wǎng)站去下載）。除計(jì)算外，技術(shù)對雪崩效應(yīng)也有很大影響。例如，晶片尺寸的增加會(huì)提高抗雪崩能力，最終提高器件的穩(wěn)健性。對最終用戶而言，這意味著要在系統(tǒng)中采用更大的封裝件。第四步：決定開關(guān)性能選擇MOSFET的最后一步是決定MOSFET的開關(guān)性能。影響開關(guān)性能的參數(shù)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(huì)在器件中產(chǎn)生開關(guān)損耗，因?yàn)樵诿看伍_關(guān)時(shí)都要對它們充電。MOSFET的開關(guān)速度因此被降低，器件效率也下降。為計(jì)算開關(guān)過程中器件的總損耗，設(shè)計(jì)人員必須計(jì)算開通過程中的損耗(Eon)和關(guān)閉過程中的損耗(Eoff)。MOSFET開關(guān)的總功率可用如下方程表達(dá)：Psw=(Eon+Eoff)×開關(guān)頻率。而柵極電荷(Qgd)對開關(guān)性能的影響最大。

基于開關(guān)性能的重要性，新的技術(shù)正在不斷開發(fā)以解決這個(gè)開關(guān)問題。芯片尺寸的增加會(huì)加大柵極電荷；而這會(huì)使器件尺寸增大。為了減少開關(guān)損耗，新的技術(shù)如溝道厚底氧化已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生，旨在減少柵極電荷。舉例說，SuperFET這種新技術(shù)就可通過降低RDS(ON)和柵極電荷(Qg)，最大限度地減少傳導(dǎo)損耗和提高開關(guān)性能。這樣，MOSFET就能應(yīng)對開關(guān)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(guān)頻率下可靠地工作。

結(jié)論

通過了解MOSFET的類型及了解和決定它們的重要性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員就能針對特定設(shè)計(jì)選擇正確的MOSFET。由于MOSFET是電氣系統(tǒng)中最基本的部件之一，選擇正確的MOSFET對整個(gè)設(shè)計(jì)是否成功起著關(guān)鍵的作用。