開關電源中的MOS管

今天我們在來一同學習下開關電源上面要怎樣選擇MOS管吧，看下開關電源上面選用MOS管應留意那些東西，哪些參數是MOS管在開關電源中起著決議性作用的，請往下看。
如今讓我們思索開關電源應用，以及這種應用如何需求從一個不同的角度來審視數據手冊。從定義上而言，這種應用需求MOS管定期導通和關斷。同時，有數十種拓撲可用于開關電源，這里思索一個簡單的例子。DC-DC電源中常用的根本降壓轉換器依賴兩個MOS管來執行開關功用(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百kHz乃至1 MHz以上的頻率，由于頻率越高，磁性元件能夠更小更輕。

開關電源上的MOS管選擇辦法圖2：用于開關電源應用的MOS管對。(DC-DC控制器)顯然，電源設計相當復雜，而且也沒有一個簡單的公式可用于MOS管的評價。但我們無妨思索一些關鍵的參數，以及這些參數為什么至關重要。傳統上，許多電源設計人員都采用一個綜合質量因數(柵極電荷QG ×導通阻抗RDS(ON))來評價MOS管或對之停止等級劃分。

柵極電荷和導通阻抗之所以重要，是由于二者都對電源的效率有直接的影響。對效率有影響的損耗主要分為兩種方式--傳導損耗和開關損耗。

柵極電荷是產生開關損耗的主要緣由。柵極電荷單位為納庫侖(nc)，是MOS管柵極充電放電所需的能量。柵極電荷和導通阻抗RDS(ON) 在半導體設計和制造工藝中互相關聯，普通來說，器件的柵極電荷值較低，其導通阻抗參數就稍高。開關電源中第二重要的MOS管參數包括輸出電容、閾值電壓、柵極阻抗和雪崩能量。

某些特殊的拓撲也會改動不同MOS管參數的相關質量，例如，能夠把傳統的同步降壓轉換器與諧振轉換器做比擬。諧振轉換器只在VDS (漏源電壓)或ID (漏極電流)過零時才停止MOS管開關，從而可把開關損耗降至最低。這些技術被成為軟開關或零電壓開關(ZVS)或零電流開關(ZCS)技術。由于開關損耗被最小化，RDS(ON) 在這類拓撲中顯得愈加重要。

低輸出電容(COSS)值對這兩類轉換器都大有益處。諧振轉換器中的諧振電路主要由變壓器的漏電感與COSS決議。

此外，在兩個MOS管關斷的死區時間內，諧振電路必需讓COSS完整放電。低輸出電容也有利于傳統的降壓轉換器(有時又稱為硬開關轉換器)，不過緣由不同。由于每個硬開關周期存儲在輸出電容中的能量會喪失，反之在諧振轉換器中能量重復循環。因而，低輸出電容關于同步降壓調理器的低邊開關特別重要。

開關電源上的MOS管選擇辦法

MOS管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。效勞器和通訊設備等應用普通都配置有多個并行電源，以支持N+1 冗余與持續工作 (圖1)。各并行電源均勻分擔負載，確保系統即便在一個電源呈現毛病的狀況下依然可以繼續工作。不過，這種架構還需求一種辦法把并行電源的輸出銜接在一同，并保證某個電源的毛病不會影響到其它的電源。在每個電源的輸出端，有一個功率MOS管能夠讓眾電源分擔負載，同時各電源又彼此隔離 。起這種作用的MOS管被稱為"ORing"FET，由于它們實質上是以 "OR" 邏輯來銜接多個電源的輸出。

開關電源上的MOS管選擇辦法圖1：用于針對N+1冗余拓撲的并行電源控制的MOS管在ORing FET應用中，MOS管的作用是開關器件，但是由于效勞器類應用中電源不連續工作，這個開關實踐上一直處于導通狀態。其開關功用只發揮在啟動和關斷，以及電源呈現缺點之時 。

相比從事以開關為中心應用的設計人員，ORing FET應用設計人員顯然必需關注MOS管的不同特性。以效勞器為例，在正常工作期間，MOS管只相當于一個導體。因而，ORing FET應用設計人員最關懷的是最小傳導損耗。

低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺寸降至最小

普通而言，MOS管制造商采用RDS(ON) 參數來定義導通阻抗;對ORing FET應用來說，RDS(ON) 也是最重要的器件特性。數據手冊定義RDS(ON) 與柵極 (或驅動) 電壓 VGS 以及流經開關的電流有關，但關于充沛的柵極驅動，RDS(ON) 是一個相對靜態參數。

若設計人員試圖開發尺寸最小、本錢最低的電源，低導通阻抗更是加倍的重要。在電源設計中，每個電源常常需求多個ORing MOS管并行工作，需求多個器件來把電傳播送給負載。在許多狀況下，設計人員必需并聯MOS管，以有效降低RDS(ON)。

需謹記，在 DC 電路中，并聯電阻性負載的等效阻抗小于每個負載單獨的阻抗值。比方，兩個并聯的2Ω 電阻相當于一個1Ω的電阻 。因而，普通來說，一個低RDS(ON) 值的MOS管，具備大額定電流，就能夠讓設計人員把電源中所用MOS管的數目減至最少。

除了RDS(ON)之外，在MOS管的選擇過程中還有幾個MOS管參數也對電源設計人員十分重要。許多狀況下，設計人員應該親密關注數據手冊上的平安工作區(SOA)曲線，該曲線同時描繪了漏極電流和漏源電壓的關系。根本上，SOA定義了MOSFET可以平安工作的電源電壓和電流。在ORing FET應用中，首要問題是：在"完整導通狀態"下FET的電傳播送才能。實踐上無需SOA曲線也能夠取得漏極電流值。

若設計是完成熱插拔功用，SOA曲線或許更能發揮作用。在這種狀況下，MOS管需求局部導通工作。SOA曲線定義了不同脈沖期間的電流和電壓限值。

留意剛剛提到的額定電流，這也是值得思索的熱參數，由于一直導通的MOS管很容易發熱。另外，日漸升高的結溫也會招致RDS(ON)的增加。MOS管數據手冊規則了熱阻抗參數，其定義為MOS管封裝的半導體結散熱才能。RθJC的最簡單的定義是結到管殼的熱阻抗。細言之，在實踐丈量中其代表從器件結(關于一個垂直MOS管，即裸片的上外表左近)到封裝表面面的熱阻抗，在數據手冊中有描繪。若采用PowerQFN封裝，管殼定義為這個大漏極片的中心。因而，RθJC 定義了裸片與封裝系統的熱效應。RθJA 定義了從裸片外表到四周環境的熱阻抗，而且普通經過一個腳注來標明與PCB設計的關系，包括鍍銅的層數和厚度。

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