開關電源上MOS管的選擇方法

2020-12-05 電子產品世界
MOS管最常見的應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。伺服器和通信設備等應用一般都配置有多個並行電源，以支持N+1 冗餘與持續工作 (圖1)。各並行電源平均分擔負載，確保系統即使在一個電源出現故障的情況下仍然能夠繼續工作。不過，這種架構還需要一種方法把並行電源的輸出連接在一起，並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，因為它們本質上是以 "OR" 邏輯來連接多個電源的輸出。

圖1 用於針對N+1冗餘

拓撲

的並行電源控制的MOS管 在ORing FET應用中，MOS管的作用是開關器件，但是由於伺服器類應用中電源不間斷工作，這個開關實際上始終處於導通狀態。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應用的設計人員，ORing FET應用設計人員顯然必需關注MOS管的不同特性。以伺服器為例，在正常工作期間，MOS管只相當於一個導體。因此，ORing FET應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，MOS管制造商採用RDS(ON) 參數來定義導通阻抗;對ORing FET應用來說，RDS(ON) 也是最重要的器件特性。數據手冊定義RDS(ON) 與柵極 (或驅動) 電壓 VGS 以及流經開關的電流有關，但對於充分的柵極驅動，RDS(ON) 是一個相對靜態參數。
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重要。在電源設計中，每個電源常常需要多個ORing MOS管並行工作，需要多個器件來把電流傳送給負載。在許多情況下，設計人員必須並聯MOS管，以有效降低RDS(ON)。
需謹記，在 DC 電路中，並聯電阻性負載的等效阻抗小於每個負載單獨的阻抗值。比如，兩個並聯的2Ω 電阻相當於一個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係。基本上，SOA定義了MOSFET能夠安全工作的電源電壓和電流。在ORing FET應用中，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。
若設計是實現熱插拔功能，SOA曲線也許更能發揮作用。在這種情況下，MOS管需要部分導通工作。SOA曲線定義了不同脈衝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，因為始終導通的MOS管很容易發熱。另外，日漸升高的結溫也會導致RDS(ON)的增加。MOS管數據手冊規定了熱阻抗參數，其定義為MOS管封裝的半導體結散熱能力。RθJC的最簡單的定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(對於一個垂直MOS管，即裸片的上表面附近)到封裝外表面的熱阻抗，在數據手冊中有描述。若採用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的熱效應。RθJA 定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註來標明與PCB設計的關係，包括鍍銅的層數和厚度。
開關電源中的MOS管
 現在讓我們考慮開關電源應用，以及這種應用如何需要從一個不同的角度來審視數據手冊。從定義上而言，這種應用需要MOS管定期導通和關斷。同時，有數十種拓撲可用於開關電源，這裡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賴兩個MOS管來執行開關功能(圖2)，這些開關交替在電感裡存儲能量，然後把能量釋放給負載。目前，設計人員常常選擇數百kHz乃至1 MHz以上的頻率，因為頻率越高，磁性元件可以更小更輕。



圖2 用於開關電源應用的MOS管對(DC-DC控制器) 顯然，電源設計相當複雜，而且也沒有一個簡單的公式可用於MOS管的評估。但我們不妨考慮一些關鍵的參數，以及這些參數為什麼至關重要。傳統上，許多電源設計人員都採用一個綜合品質因數(柵極電荷QG ×導通阻抗RDS(ON))來評估MOS管或對之進行等級劃分。

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--傳導損耗和開關損耗。

柵極電荷是產生開關損耗的主要原因。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) 在半導體設計和製造工藝中相互關聯，一般來說，器件的柵極電荷值較低，其導通阻抗參數就稍高。開關電源中第二重要的MOS管參數包括輸出電容、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MOS管參數的相關品質，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MOS管開關，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。由於開關損耗被最小化，RDS(ON) 在這類拓撲中顯得更加重要。

低輸出電容(COSS)值對這兩類轉換器都大有好處。諧振轉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管關斷的死區時間內，諧振電路必須讓COSS完全放電。

低輸出電容也有利於傳統的降壓轉換器(有時又稱為硬開關轉換器)，不過原因不同。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覆循環。因此，低輸出電容對於同步降壓調節器的低邊開關尤其重要。

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