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開關(guān)電源mos管有幾種選型設計方法詳解

鉅大LARGE  |  點擊量:3447次  |  2020年05月13日  

開關(guān)電源mos管選型

MOS管最常見的應用可能是電源中的開關(guān)元件,此外,它們對電源輸出也大有裨益。服務器和通信設備等應用一般都配置有多個并行電源,以支持N+1冗余與持續(xù)工作(圖1)。各并行電源平均分擔負載,確保系統(tǒng)即使在一個電源出現(xiàn)故障的情況下仍然能夠繼續(xù)工作。不過,這種架構(gòu)還需要一種方法把并行電源的輸出連接在一起,并保證某個電源的故障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管可以讓眾電源分擔負載,同時各電源又彼此隔離。起這種作用的MOS管被稱為"ORing"FET,因為它們本質(zhì)上是以"OR"邏輯來連接多個電源的輸出。

一、開關(guān)電源上的MOS管選擇方法

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圖1:用于針對N+1冗余拓撲的并行電源控制的MOS管

在ORingFET應用中,MOS管的作用是開關(guān)器件,但是由于服務器類應用中電源不間斷工作,這個開關(guān)實際上始終處于導通狀態(tài)。其開關(guān)功能只發(fā)揮在啟動和關(guān)斷,以及電源出現(xiàn)故障之時。

相比從事以開關(guān)為核心應用的設計人員,ORingFET應用設計人員顯然必需關(guān)注MOS管的不同特性。以服務器為例,在正常工作期間,MOS管只相當于一個導體。因此,ORingFET應用設計人員最關(guān)心的是最小傳導損耗。

二、低RDS(ON)可把BOM及PCB尺寸降至最小

一般而言,MOS管制造商采用RDS(ON)參數(shù)來定義導通阻抗;對ORingFET應用來說,RDS(ON)也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊定義RDS(ON)與柵極(或驅(qū)動)電壓VGS以及流經(jīng)開關(guān)的電流有關(guān),但對于充分的柵極驅(qū)動,RDS(ON)是一個相對靜態(tài)參數(shù)。

若設計人員試圖開發(fā)尺寸最小、成本最低的電源,低導通阻抗更是加倍的重要。在電源設計中,每個電源常常需要多個ORingMOS管并行工作,需要多個器件來把電流傳送給負載。在許多情況下,設計人員必須并聯(lián)MOS管,以有效降低RDS(ON)。

需謹記,在DC電路中,并聯(lián)電阻性負載的等效阻抗小于每個負載單獨的阻抗值。比如,兩個并聯(lián)的2Ω電阻相當于一個1Ω的電阻。因此,一般來說,一個低RDS(ON)值的MOS管,具備大額定電流,就可以讓設計人員把電源中所用MOS管的數(shù)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(shù)也對電源設計人員非常重要。許多情況下,設計人員應該密切關(guān)注數(shù)據(jù)手冊上的安全工作區(qū)(SOA)曲線,該曲線同時描述了漏極電流和漏源電壓的關(guān)系?;旧?,SOA定義了MOSFET能夠安全工作的電源電壓和電流。在ORingFET應用中,首要問題是:在"完全導通狀態(tài)"下FET的電流傳送能力。實際上無需SOA曲線也可以獲得漏極電流值。

若設計是實現(xiàn)熱插拔功能,SOA曲線也許更能發(fā)揮作用。在這種情況下,MOS管需要部分導通工作。SOA曲線定義了不同脈沖期間的電流和電壓限值。

注意剛剛提到的額定電流,這也是值得考慮的熱參數(shù),因為始終導通的MOS管很容易發(fā)熱。另外,日漸升高的結(jié)溫也會導致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了熱阻抗參數(shù),其定義為MOS管封裝的半導體結(jié)散熱能力。RθJC的最簡單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。細言之,在實際測量中其代表從器件結(jié)(對于一個垂直MOS管,即裸片的上表面附近)到封裝外表面的熱阻抗,在數(shù)據(jù)手冊中有描述。若采用PowerQFN封裝,管殼定義為這個大漏極片的中心。因此,RθJC定義了裸片與封裝系統(tǒng)的熱效應。RθJA定義了從裸片表面到周圍環(huán)境的熱阻抗,而且一般通過一個腳注來標明與PCB設計的關(guān)系,包括鍍銅的層數(shù)和厚度。

三、開關(guān)電源中的MOS管

現(xiàn)在讓我們考慮開關(guān)電源應用,以及這種應用如何需要從一個不同的角度來審視數(shù)據(jù)手冊。從定義上而言,這種應用需要MOS管定期導通和關(guān)斷。同時,有數(shù)十種拓撲可用于開關(guān)電源,這里考慮一個簡單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依賴兩個MOS管來執(zhí)行開關(guān)功能(圖2),這些開關(guān)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(shù)百kHz乃至1MHz以上的頻率,因為頻率越高,磁性元件可以更小更輕。

四、開關(guān)電源上的MOS管選擇方法

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圖2:用于開關(guān)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管的評估。但我們不妨考慮一些關(guān)鍵的參數(shù),以及這些參數(shù)為什么至關(guān)重要。傳統(tǒng)上,許多電源設計人員都采用一個綜合品質(zhì)因數(shù)(柵極電荷QG×導通阻抗RDS(ON))來評估MOS管或?qū)χM行等級劃分。

柵極電荷和導通阻抗之所以重要,是因為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形式--傳導損耗和開關(guān)損耗。

柵極電荷是產(chǎn)生開關(guān)損耗的主要原因。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相互關(guān)聯(lián),一般來說,器件的柵極電荷值較低,其導通阻抗參數(shù)就稍高。開關(guān)電源中第二重要的MOS管參數(shù)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變不同MOS管參數(shù)的相關(guān)品質(zhì),例如,可以把傳統(tǒng)的同步降壓轉(zhuǎn)換器與諧振轉(zhuǎn)換器做比較。諧振轉(zhuǎn)換器只在VDS(漏源電壓)或ID(漏極電流)過零時才進行MOS管開關(guān),從而可把開關(guān)損耗降至最低。這些技術(shù)被成為軟開關(guān)或零電壓開關(guān)(ZVS)或零電流開關(guān)(ZCS)技術(shù)。由于開關(guān)損耗被最小化,RDS(ON)在這類拓撲中顯得更加重要。

低輸出電容(COSS)值對這兩類轉(zhuǎn)換器都大有好處。諧振轉(zhuǎn)換器中的諧振電路主要由變壓器的漏電感與COSS決定。此外,在兩個MOS管關(guān)斷的死區(qū)時間內(nèi),諧振電路必須讓COSS完全放電。

低輸出電容也有利于傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器(有時又稱為硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器),不過原因不同。因為每個硬開關(guān)周期存儲在輸出電容中的能量會丟失,反之在諧振轉(zhuǎn)換器中能量反復循環(huán)。因此,低輸出電容對于同步降壓調(diào)節(jié)器的低邊開關(guān)尤其重要。

五、mos管初選基本步驟

1電壓應力

在電源電路應用中,往往首先考慮漏源電壓VDS的選擇。在此上的基本原則為MOSFET實際工作環(huán)境中的最大峰值漏源極間的電壓不大于器件規(guī)格書中標稱漏源擊穿電壓的90%。

即:

VDS_peak≤90%*V(BR)DSS

注:一般地,V(BR)DSS具有正溫度系數(shù)。故應取設備最低工作溫度條件下之V(BR)DSS值作為參考。

2漏極電流

其次考慮漏極電流的選擇?;驹瓌t為MOSFET實際工作環(huán)境中的最大周期漏極電流不大于規(guī)格書中標稱最大漏源電流的90%;漏極脈沖電流峰值不大于規(guī)格書中標稱漏極脈沖電流峰值的90%。

即:

ID_max≤90%*ID

ID_pulse≤90%*IDP

注:一般地,ID_max及ID_pulse具有負溫度系數(shù),故應取器件在最大結(jié)溫條件下之ID_max及ID_pulse值作為參考。器件此參數(shù)的選擇是極為不確定的—主要是受工作環(huán)境,散熱技術(shù),器件其它參數(shù)(如導通電阻,熱阻等)等相互制約影響所致。最終的判定依據(jù)是結(jié)點溫度(即如下第六條之“耗散功率約束”)。根據(jù)經(jīng)驗,在實際應用中規(guī)格書目中之ID會比實際最大工作電流大數(shù)倍,這是因為散耗功率及溫升之限制約束。在初選計算時期還須根據(jù)下面第六條的散耗功率約束不斷調(diào)整此參數(shù)。建議初選于3~5倍左右ID=(3~5)*ID_max。

3驅(qū)動要求

MOSFEF的驅(qū)動要求由其柵極總充電電量(Qg)參數(shù)決定。在滿足其它參數(shù)要求的情況下,盡量選擇Qg小者以便驅(qū)動電路的設計。驅(qū)動電壓選擇在保證遠離最大柵源電壓(VGSS)前提下使Ron盡量小的電壓值(一般使用器件規(guī)格書中的建議值)

4損耗及散熱

小的Ron值有利于減小導通期間損耗,小的Rth值可減小溫度差(同樣耗散功率條件下),故有利于散熱。

5損耗功率初算

MOSFET損耗計算主要包含如下8個部分:

即:

PD=Pon+Poff+Poff_on+Pon_off+Pds+Pgs+Pd_f+Pd_recover

詳細計算公式應根據(jù)具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應用場合,還要考慮體內(nèi)二極管正向?qū)ㄆ陂g的損耗和轉(zhuǎn)向截止時的反向恢復損耗。損耗計算可參考下文的“MOS管損耗的8個組成部分”部分。

6耗散功率約束

器件穩(wěn)態(tài)損耗功率PD,max應以器件最大工作結(jié)溫度限制作為考量依據(jù)。如能夠預先知道器件工作環(huán)境溫度,則可以按如下方法估算出最大的耗散功率:

即:

PD,max≤(Tj,max-Tamb)/Rθj-a

其中Rθj-a是器件結(jié)點到其工作環(huán)境之間的總熱阻包括Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance等。如其間還有絕緣材料還須將其熱阻考慮進去。

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