MOSFET分析:選擇一款節能、高效的MOSFET

2020-12-05 電子產品世界

前不久，能源之星發布了2.0版外部電源能效規範。新規範大幅提高了工作頻率要求，同時進一步降低待機功耗要求。例如，為了滿足新規範，2.5W（5V，0.5A）外部電源的最低效率必須達到72.3%，新規範要求空載功耗應低於300mW，這些都比目前使用的規範有了大幅提高。不僅是外部電源，很多手持式產品及家電產品，同樣面臨著低功耗的考驗。以手機為例，隨著智慧型手機的功能越來越多，低功耗設計已經成為一個越來越迫切的問題。

面對這種降低功耗、提高能效的趨勢要求，設計工程師必須從源頭開始，為自己的設計儘可能地選擇節能、高效的器件。而高能效的功率半導體可以幫助工程師縮短相關產品的開發時程，並能輕易達到系統的規格需求。MOSFET作為功率半導體的一種，在很多系統中都有應用，如：便攜設備、消費類電源適配器、計算機主板、LCD顯示器、網絡通信、工業控制、汽車電子以及照明等領域。尤其是在DC/DC轉換器中，功率MOSFET的選擇將對電源的效率有關鍵的影響。下面，將介紹幾款應用在不同領域的MOSFET，它們無論在導通電阻還是開關速度上，都具有出色的表現。

MOSFET的幾個關鍵參數

MOSFET是英文Metal Oxide Semicoductor Field Effect Transistor的縮寫，譯成中文是「金屬氧化物半導體場效應管」。它是由金屬、氧化物(SiO2或SiN)及半導體三種材料製成的器件。按溝道半導體材料的不同，MOSFET分為N溝道和P溝道兩種。所謂功率MOSFET(Power MOSFET)是指它能輸出較大的工作電流(幾安到幾十安)，用於功率輸出級的器件。

MOSFET的參數中，主要考慮的有三大參數：最大耐壓、最大電流能力及導通電阻。導通電阻（RDSON）是一個關鍵的參數，導通電阻越小，則傳導損耗越小。但是，只考慮導通電阻還不夠，因為，功率MOSFET主要的損耗來源有三個：(1)導通電阻造成導通損耗；(2)閘極電荷造成驅動電路上的損耗及切換損耗；(3)輸出電容在截止/導通的過程中造成功率MOSFET的儲能/耗能。因此，選擇一款節能、高效的MOSFET，需要考慮多種原因及應用領域。

在業界，MOSFET有一個普適的性能測量基準，即品質因數(FOM)，品質因數可以用導通電阻（RDS(ON)）和柵極電荷(Qg)的乘積來表示，即FOM = RDS(ON)×Qg。RDS(ON)直接關係到傳導損耗，Qg直接關係到開關損耗，因此，FOM值越低，器件性能就越好。

幾款高效、低損耗MOSFET

英飛凌公司的SuperS08無鉛封裝的40V、60V和80V OptiMOS 3 N溝道MOSFET系列，具有極低的導通電阻。其40V系列具備最低1.8mΩ的導通電阻，60V系列具備最低2.8mΩ的導通電阻，80V系列具備最低4.7mΩ的導通電阻。這些器件的FOM與採用標準TO封裝的同類產品相比高出25%，能夠更快速實現開關，同時最大程度降低開關損耗和柵極驅動損耗，提高功率密度，降低驅動器散熱量。SuperSO8封裝寄生電感不到0.5nH，比TO-220封裝的5～10nH電感低很多，這進一步提升了器件整體效率，最大程度上減少在開關條件下的振蕩現象。OptiMOS 3 40V、60V和80V產品適用於需要高效率和功率密度的功率轉換和電源管理應用，包括眾多產品的SMPS(開關模式電源)、DC/DC轉換器和直流電機驅動器等。這些產品包括計算機、家用電器、小型電動車、工業自動化系統、電信設備和電動工具、電動剪草機和風扇等消費類電子設備。

意法半導體(ST)在MOSFET產品上也有自己獨到的技術，其STripFET技術利用非常高的等效單元密度和更小的單元特徵尺寸來實現極低的導通電阻和開關損耗，STripFET V是最新一代的STripFET技術。基於該技術的兩款MOSFET STD60N3LH5和STD85N3LH5,擁有極低的導通損耗和開關損耗。在一個典型的穩壓模塊內，兩種損耗的減少可達3W。該產品實現了優異的品質因數FOM。兩款產品都是30V（BVDSS）器件。STD60N3LH5柵極電荷量（Qg）為8.8nC，在10V電壓時，導通電阻為7.2mΩ，是非隔離DC/DC降壓轉換器中控制型場效應電晶體的理想選擇。STD85N3LH5在10V電壓時，導通電阻為4.2mΩ，柵電荷量為14nC，是同步場效應電晶體的極佳選擇。兩款產品都採用DPAK和IPAK封裝。

威世(Vishay Intertechnology)的20V N溝道器件SiR440DP，擴展了其第三代TrenchFET功率MOSFET系列。該器件採用PowerPAK SO-8封裝，在4.5V柵極驅動時最大導通電阻為2.0mΩ，在10V柵極驅動時最大導通電阻為1.55mΩ。在DC/DC應用中，該MOSFET具有極好的品質因數，在 4.5V時為87。SiR440DP在同步降壓轉換器以及二級同步整流及OR-ing應用中用做低端MOSFET。其低傳導及切換損耗將確保穩壓器模塊(VRM)、伺服器及使用負載點(POL)功率轉換的諸多系統實現功效更高且更節省空間的設計。

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