依據使用恰當選擇MOSFET的技巧

鑒于MOSFET技術的成熟，為設計選擇一款MOSFET表面上看是十分簡單的事情。雖然工程師都熟諳MOSFET數據手冊上的品質因數，但為了選擇出適宜的MOSFET，工程師必需利用自己的專業知識對各個詳盡使用的不同規格進行全面仔細的考慮。例如，關于服務器電源中的負載開關這類使用，由于MOSFET基本上一直都是處于導通狀態，故MOSFET的開關特性無關重要，而導通阻抗(RDS(ON))卻可能是這種使用的關鍵品質因數。然而，依然有一些使用，比如開關電源，把MOSFET用作有源開關，因此工程師非得評估其它的MOSFET性能參數。下面讓我們考慮一些使用及其MOSFET規格參數的優先順序。

MOSFET最常見的使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。服務器和通信設備等使用一般都配置有多個并行電源，以支持N+1冗余與繼續工作(圖1)。各并行電源均勻分擔負載，確保系統即使在一個電源出現故障的情況下依然能夠持續工作。不過，這種架構還要一種辦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MOSFET可以讓眾電源分擔負載，同時各電源又彼此隔離。起這種用途的MOSFET被稱為"ORing"FET，因為它們本質上是以"OR"邏輯來連接多個電源的輸出。

圖1：用于針對N+1冗余拓撲的并行電源控制的MOSFET。

在ORingFET使用中，MOSFET的用途是開關器件，但是由于服務器類使用中電源不間斷工作，這個開關實際上始終處于導通狀態。其開關功能只發揮在啟動和關斷，以及電源出現故障之時。

相比從事以開關為核心使用的設計人員，ORingFET使用設計人員顯然必需關注MOSFET的不同特性。以服務器為例，在正常工作期間，MOSFET只相當于一個導體。因此，ORingFET使用設計人員最關心的是最小傳導損耗。

低RDS(ON)可把BOM及pCB尺寸降至最小

一般而言，MOSFET制造商采用RDS(ON)參數來含義導通阻抗；對ORingFET使用來說，RDS(ON)也是最緊要的器件特性。數據手冊含義RDS(ON)與柵極(或驅動)電壓VGS以及流經開關的電流有關，但關于充足的柵極驅動，RDS(ON)是一個相對靜態參數。例如，飛兆半導體FDMS7650的數據手冊規定，關于10V的柵極驅動，最大RDS(ON)為0.99mΩ。

若設計人員試圖開發尺寸最小、成本最低的電源，低導通阻抗更是加倍的緊要。在電源設計中，每個電源經常要多個ORingMOSFET并行工作，要多個器件來把電流傳送給負載。在許多情況下，設計人員非得并聯MOSFET，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。比如，兩個并聯的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MOSFET，具備大額定電流，就可以讓設計人員把電源中所用MOSFET的數目減至最少。

除了RDS(ON)之外，在MOSFET的選擇過程中還有幾個MOSFET參數也對電源設計人員非常緊要。許多情況下，設計人員應當密切關注數據手冊上的安全工作區(SOA)曲線，該曲線同時描述了漏極電流和漏源電壓的關系。基本上，SOA含義了MOSFET能夠安全工作的電源電壓和電流。在ORingFET使用中，首要問題是：在"完全導通狀態"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。再以FDMS7650為例，該器件的額定電流為36A，故非常適用于服務器使用中所采用的典型DC-DC電源。

若設計是實現熱插拔功能，SOA曲線也許更能發揮用途。在這種情況下，MOSFET要部分導通工作。SOA曲線含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，這也是值得考慮的熱參數，因為始終導通的MOSFET很容易發熱。另外，日漸升高的結溫也會導致RDS(ON)的新增。MOSFET數據手冊規定了熱阻抗參數，其含義為MOSFET封裝的半導體結散熱能力。RθJC的最簡單的含義是結到管殼的熱阻抗。細言之，在實際測量中其代表從器件結(關于一個垂直MOSFET，即裸片的上表面附近)到封裝外表面的熱阻抗，在數據手冊中有描述。若采用powerQFN封裝，管殼含義為這個大漏極片的中心。因此，RθJC含義了裸片與封裝系統的熱效應。RθJA含義了從裸片表面到周圍環境的熱阻抗，而且一般通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。

總而言之，RθJC在電源設計團隊的控制范圍以外，因為它是由所采用的器件封裝技術決定。先進的熱性能加強型封裝，比如飛兆半導體的power56，其RθJC規格在1和2oC/W之間，FDMS7650的規格為1.2oC/W。設計團隊可以通過pCB設計來改變RθJA。最終，一個穩健的熱設計有助于提高系統可靠性，延長系統均勻無故障時間(MTBF)。

開關電源中的MOSFET

今朝讓我們考慮開關電源使用，以及這種使用要怎么樣要從一個不同的角度來審視數據手冊。從含義上而言，這種使用要MOSFET定期導通和關斷。同時，有數十種拓撲可用于開關電源，這里考慮一個簡單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉換器依靠兩個MOSFET來執行開關功能(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，設計人員經常選擇數百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。

圖2：用于開關電源使用的MOSFET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MOSFET的評估。但我們不妨考慮一些關鍵的參數，以及這些參數為甚么至關緊要。傳統上，許多電源設計人員都采用一個綜合品質因數(柵極電荷QG×導通阻抗RDS(ON))來評估MOSFET或對之進行等級劃分。

柵極電荷和導通阻抗之所以緊要，是因為二者都對電源的效率有筆直的影響。對效率有影響的損耗緊要分為兩種形式--傳導損耗和開關損耗。

柵極電荷是出現開關損耗的緊要原由。柵極電荷單位為納庫侖(nc)，是MOSFET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聯，一般來說，器件的柵極電荷值較低，其導通阻抗參數就稍高。

開關電源中第二緊要的MOSFET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變不同MOSFET參數的相關品質，例如，可以把傳統的同步降壓轉換器與諧振轉換器做比較。諧振轉換器只在VDS(漏源電壓)或ID(漏極電流)過零時才進行MOSFET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)在這類拓撲中顯得更加緊要。

低輸出電容(COSS)值對這兩類轉換器都大有好處。諧振轉換器中的諧振電路緊要由變壓器的漏電感與COSS決定。此外，在兩個MOSFET關斷的死區時間內，諧振電路非得讓COSS完全放電。因此，諧振拓撲很看重較低的COSS。考慮圖3所示的飛兆半導體FDMS7650的COSS與VDS的關系圖。

圖3：FDMS7650的COSS與VDS的關系圖。

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)，不過原由不同。因為每個硬開關周期存儲在輸出電容中的能量會丟失，反之在諧振轉換器中能量反復循環。因此，低輸出電容關于同步降壓調節器的低邊開關尤其緊要。

馬達控制使用的MOSFET

馬達控制使用是功率MOSFET大有用武之地的另一個使用范疇，這時最緊要的選擇基準可能又與其它大不相同。不同于現代開關電源，馬達控制電路不在高頻下開關。典型的半橋式控制電路采用2個MOSFET(全橋式則采用4個)，但這兩個MOSFET的關斷時間(死區時間)相等。關于這類使用，反向恢復時間(trr)非常緊要。在控制電感式負載(比如馬達繞組)時，控制電路把橋式電路中的MOSFET切換到關斷狀態，此時橋式電路中的另一個開關經由MOSFET中的體二極管臨時反向傳導電流。于是，電流重新循環，持續為馬達供電。當第一個MOSFET再次導通時，另一個MOSFET二極管中存儲的電荷非得被移除，通過第一個MOSFET放電，而這是一種能量的損耗，故trr越短，這種損耗越小。

所以，若設計團隊要在電源電路采用MOSFET，在評估過程開始之前，需對手中的使用進行仔細全面的考慮。應依據自己的需求而非制造商吹噓的特定規格來對各項參數進行優先級劃分。

補充：利用IC和封裝設計獲得最小的RDS(ON)規格

在MOSFET的選擇過程中，評估參數的設計人員一般通過仔細分解相關規格來知道自己究竟要什么。但有時深入知道IC制造商要怎么樣供應工作特性是很有必要的。以RDS(ON)為例，你也許通常期待該規格只與器件的設計及半導體制造工藝有關。但實際上，封裝設計對導通阻抗RDS(ON)的最小化有著巨大的影響。

封裝對RDS(ON)的用途巨大是因為該參數緊要取決于傳導損耗，而封裝無疑可以影響傳導損耗。考慮本文正文提及的飛兆半導體FDMS7650和1mΩ導通阻抗。該器件能獲得較低RDS(ON)值，約莫一半原由可歸結于封裝設計。其封裝采用一種堅固的銅夾技術取代常用的鋁或金鍵合引線來連接源極和引線框架。這種辦法把封裝阻抗降至最小，并降低了源極電感，源極電感是開關器件出現振鈴的緊要原由。

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