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如何選擇mos管-教你用四种方法合理选择mos管-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-09-12 

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如何選擇mos管

正确选择MOS管是很重要的一个环节,MOS管选择不好有可能影响到整个电路的效率和成本,了解不同的MOS管部件的细微差别及不同开关电路中的应力能够帮助工程师避免诸多问题,下面我们来学习下如何選擇mos管正确方法。

如何選擇mos管

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

如何選擇mos管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。

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

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。而熱計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

如何選擇mos管的最后一步是决定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。

mos管導通條件

在了解如何選擇mos管后,接下来会讲到mos管的导通条件及导通过程,导通与截止由栅源电压来控制,对于增强型場效應管来说,N沟道的管子加正向电压即导通,P沟道的管子则加反向电压。一般2V~4V就可以了。但是,場效應管分为增强型(常开型)和耗尽型(常闭型),增强型的管子是需要加电压才能导通的,而耗尽型管子本来就处于导通状态,加栅源电压是为了使其截止。

开关只有两种状态通和断,三极管和場效應管工作有三种状态:

1、截止;

2、線性放大;

3、飽和(基極電流繼續增加而集電極電流不再增加);

使晶体管只工作在1和3状态的电路称之为开关电路,一般以晶体管截止,集电极不吸收电流表示关;以晶体管饱和,发射极和集电极之间的电压差接近于0V时表示开。开关电路用于数字电路时,输出电位接近0V时表示0,输出电位接近电源电压时表示1。所以数字集成电路内部的晶体管都工作在开关状态。 場效應管按沟道分可分为N沟道和P沟道管(在符号图中可看到中间的箭头方向不一样)。

按材料分可分为结型管和绝缘栅型管,绝缘栅型又分为耗尽型和增强型,一般主板上大多是绝缘栅型管简称MOS管,并且大多采用增强型的N沟道,其次是增强型的P沟道,结型管和耗尽型管几乎不用。场效应晶体管(Field Effect Transistor缩写(FET))简称場效應管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件.場效應管是利用多数载流子导电,所以称之为单极型器件,而晶体管是即有多数载流子,也利用少数载流子导电,被称之为双极型器件.有些場效應管的源极和漏极可以互换使用,栅压也可正可负,灵活性比晶体管好。

5、MOS管導通過程

导通时序可分为to~t1、t1~t2、 t2~t3 、t3~t4四个时间段,这四个时间段有不同的等效电路。

1)t0-t1:C GS1 开始充电,栅极电压还没有到达V GS(th),导电沟道没有形成,MOSFET仍处于关闭状态。

2)[t1-t2]区间, GS间电压到达Vgs(th),DS间导电沟道开始形成,MOSFET开启,DS电流增加到ID, Cgs2 迅速充电,Vgs由Vgs(th)指数增长到Va。

3)[t2-t3]区间,MOSFET的DS电压降至与Vgs相同,产生Millier效应,Cgd电容大大增加,栅极电流持续流过,由于C gd 电容急剧增大,抑制了栅极电压对Cgs 的充电,从而使得Vgs 近乎水平状态,Cgd 电容上电压增加,而DS电容上的电压继续减小。

4)[t3-t4]区间,至t3时刻,MOSFET的DS电压降至饱和导通时的电压,Millier效应影响变小,Cgd 电容变小并和Cgs 电容一起由外部驱动电压充电, Cgs 电容的电压上升,至t4时刻为止.此时C gs 电容电压已达稳态,DS间电压也达最小,MOSFET完全开启。


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