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P沟道和N沟道MOS管工作原理-P沟道和N沟道MOS管应该如何选择-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-07-23 

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P溝道和N溝道MOS管選擇

正確選擇MOS管是很重要的一個環節,MOS管選擇不好有可能影響到整個電路的效率和成本,了解不同的MOS管部件的細微差別及不同開關電路中的應力能夠幫助工程師避免諸多問題,下面我們來學習下MOS管的正確的選擇方法。

第一步:選用N溝道還是P溝道

爲設計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOS管。在典型的功率應用中,當一個MOS管接地,而負載連接到幹線電壓上時,該MOS管就構成了低壓側開關。在低壓側開關中,應采用N溝道MOS管,這是出于對關閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOS管連接到總線及負載接地時,就要用高壓側開關。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOS管,這也是出于對電壓驅動的考慮。

要選擇適合應用的器件,必須確定驅動器件所需的電壓,以及在設計中最簡易執行的方法。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。根據實踐經驗,額定電壓應當大于幹線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護,使MOS管不會失效。就選擇MOS管而言,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MOS管能承受的最大電壓會隨溫度而變化這點十分重要。設計人員必須在整個工作溫度範圍內測試電壓的變化範圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個變化範圍,確保電路不會失效。設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關電子設備(如電機或變壓器)誘發的電壓瞬變。不同應用的額定電壓也有所不同;通常,便攜式設備爲20V、FPGA電源爲20~30V、85~220VAC應用爲450~600V.

第二步:確定額定電流

第二步是選擇P溝道和N溝道MOS管的額定電流。視電路結構而定,該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似,設計人員必須確保所選的MOS管能承受這個額定電流,即使在系統産生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續模式和脈沖尖峰。在連續導通模式下,MOS管處于穩態,此時電流連續通過器件。脈沖尖峰是指有大量電湧(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最大電流的器件便可。

選好額定電流後,還必須計算導通損耗。在實際情況下,MOS管並不是理想的器件,因爲在導電過程中會有電能損耗,這稱之爲導通損耗。MOS管在"導通"時就像一個可變電阻,由器件的RDS(ON)所確定,並隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算,由于導通電阻隨溫度變化,因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOS管施加的電壓VGS越高,RDS(ON)就會越小;反之RDS(ON)就會越高。對系統設計人員來說,這就是取決于系統電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來說,采用較低的電壓比較容易(較爲普遍),而對于工業設計,可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關于RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術資料表中查到。

技術對器件的特性有著重大影響,因爲有些技術在提高最大VDS時往往會使RDS(ON)增大。對于這樣的技術,如果打算降低VDS和RDS(ON),那麽就得增加晶片尺寸,從而增加與之配套的封裝尺寸及相關的開發成本。業界現有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術,其中最主要的是溝道和電荷平衡技術。

在溝道技術中,晶片中嵌入了一個深溝,通常是爲低電壓預留的,用于降低導通電阻RDS(ON)。爲了減少最大VDS對RDS(ON)的影響,開發過程中采用了外延生長柱/蝕刻柱工藝。例如,飛兆半導體開發了稱爲SupeRFET的技術,針對RDS(ON)的降低而增加了額外的制造步驟。這種對RDS(ON)的關注十分重要,因爲當標准MOSFET的擊穿電壓升高時,RDS(ON)會隨之呈指數級增加,並且導致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS(ON)與晶片尺寸間的指數關系變成了線性關系。這樣,SuperFET器件便可在小晶片尺寸,甚至在擊穿電壓達到600V的情況下,實現理想的低RDS(ON)。結果是晶片尺寸可減小達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

P溝道和N溝道MOS管選擇的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况,即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果,因为这个结果提供更大的安全余量,能确保系统不会失效。在MOS管的资料表上还有一些需要注意的测量数据;比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻,以及最大的结温。器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积(结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散])。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散,即按定义相等于I2×RDS(ON)。由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流,因此可以计算出不同温度下的RDS(ON)。值得注意的是,在处理简单热模型时,设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量;即要求印刷电路板和封装不会立即升温。

雪崩擊穿是指半導體器件上的反向電壓超過最大值,並形成強電場使器件內電流增加。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。半導體公司都會對器件進行雪崩測試,計算其雪崩電壓,或對器件的穩健性進行測試。計算額定雪崩電壓有兩種方法;一是統計法,另一是熱計算。而熱算因爲較爲實用而得到廣泛采用。除計算外,技術對雪崩效應也有很大影響。例如,晶片尺寸的增加會提高抗雪崩能力,最終提高器件的穩健性。對最終用戶而言,這意味著要在系統中采用更大的封裝件。

第四步:決定開關性能

P溝道和N溝道MOS管選擇的最后一步是决定MOS管的开关性能。影响开关性能的参数有很多,但最重要的是栅极/漏极、栅极/ 源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损耗,因为在每次开关时都要对它们充电。MOS管的开关速度因此被降低,器件效率也下降。为计算开关过程中器件的总损耗,设计人员必须计算开通过程中的损耗(Eon)和关闭过程中的损耗(Eoff)。MOSFET开关的总功率可用如下方程表达:Psw=(Eon+Eoff)×开关频率。而栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最大。

N溝道與P溝道工作原理

在實際項目中,我們基本都用增強型mos管,分爲N溝道和P溝道兩種。

P溝道和N溝道MOS管選擇

我們常用的是NMOS,因爲其導通電阻小,且容易制造。在MOS管原理圖上可以看到,漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管,在驅動感性負載(如馬達),這個二極管很重要。順便說一句,體二極管只在單個的MOS管中存在,在集成電路芯片內部通常是沒有的。

P溝道和N溝道MOS管選擇

1.導通特性

NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會導通,適合用于源極接地時的情況(低端驅動),只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。

PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導通,適合用于源極接VCC時的情況(高端驅動)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動,但由于導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是使用NMOS。

2.MOS開關管損失

不管是NMOS還是PMOS,導通後都有導通電阻存在,這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗。現在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。

MOS在導通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程,流過的電流有一個上升的過程,在這段時間內,MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多,而且開關頻率越高,損失也越大。

導通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大。縮短開關時間,可以減小每次導通時的損失;降低開關頻率,可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。

3.MOS管驅動

跟雙極性晶體管相比,一般認爲使MOS管導通不需要電流,只要GS電壓高于一定的值,就可以了。這個很容易做到,但是,我們還需要速度。

在MOS管的結構中可以看到,在GS,GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅動,實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流,因爲對電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。

第二注意的是,普遍用于高端驅動的NMOS,導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統裏,要得到比VCC大的電壓,就要專門的升壓電路了。很多馬達驅動器都集成了電荷泵,要注意的是應該選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅動MOS管。



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