細說MOS管選型技巧
本文來源：ECCN中電網
MOS管選型技巧
選擇到一款正確的MOS管，可以很好地控製生產(chan) 製造成本，最為(wei) 重要的是，為(wei) 產(chan) 品匹配了一款最恰當的元器件，這在產(chan) 品未來的使用過程中，將會(hui) 充分發揮其“螺絲(si) 釘”的作用，確保設備得到最高效、最穩定、最持久的應用效果。那麽(me) 麵對市麵上琳琅滿目的MOS管，該如何選擇呢？下麵，我們(men) 就分7個(ge) 步驟來闡述MOS管的選型要求。
MOS管是電子製造的基本元件，但麵對不同封裝、不同特性、不同品牌的MOS管時，該如何抉擇？有沒有省心、省力的遴選方法？
首先是確定N、P溝道的選擇
MOS管有兩(liang) 種結構形式，即N溝道型和P溝道型，結構不一樣，使用的電壓極性也會(hui) 不一樣，因此，在確定選擇哪種產(chan) 品前，首先需要確定采用N溝道還是P溝道MOS管。
MOS管的兩(liang) 種結構：N溝道型和P溝道型
在典型的功率應用中，當一個(ge) 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(ce) 開關(guan) 。在低壓側(ce) 開關(guan) 中，應采用N溝道MOS管，這是出於(yu) 對關(guan) 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(ce) 開關(guan) 。通常會(hui) 在這個(ge) 拓撲中采用P溝道MOS管，這也是出於(yu) 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。
第二步是確定電壓
額定電壓越大，器件的成本就越高。從(cong) 成本角度考慮，還需要確定所需的額定電壓，即器件所能承受的最大電壓。根據實踐經驗，額定電壓應當大於(yu) 幹線電壓或總線電壓，一般會(hui) 留出1.2~1.5倍的電壓餘(yu) 量，這樣才能提供足夠的保護，使MOS管不會(hui) 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。由於(yu) MOS管所能承受的最大電壓會(hui) 隨溫度變化而變化，設計人員必須在整個(ge) 工作溫度範圍內(nei) 測試電壓的變化範圍。額定電壓必須有足夠的餘(yu) 量覆蓋這個(ge) 變化範圍，確保電路不會(hui) 失效。
此外，設計工程師還需要考慮其他安全因素：如由開關(guan) 電子設備(常見有電機或變壓器)誘發的電壓瞬變。另外，不同應用的額定電壓也有所不同；通常便攜式設備選用20V的MOS管，FPGA電源為(wei) 20～30V的MOS管，85～220V AC應用時MOS管VDS為(wei) 450～600V。
第三步為(wei) 確定電流
確定完電壓後，接下來要確定的就是MOS管的電流。需根據電路結構來決(jue) 定，MOS管的額定電流應是負載在所有情況下都能夠承受的最大電流；與(yu) 電壓的情況相似，MOS管的額定電流必須能滿足係統產(chan) 生尖峰電流時的需求。電流的確定需從(cong) 兩(liang) 個(ge) 方麵著手：連續模式和脈衝(chong) 尖峰。在連續導通模式下，MOS管處於(yu) 穩態，此時電流連續通過器件。脈衝(chong) 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，隻需直接選擇能承受這個(ge) 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，因為(wei) 在導電過程中會(hui) 有電能損耗，也就是導通損耗。MOS管在“導通”時就像一個(ge) 可變電阻，由器件的導通電阻RDS(ON)所確定，並隨溫度而顯著變化。器件的功率損耗PTRON=Iload2×RDS(ON)計算（Iload：最大直流輸出電流），由於(yu) 導通電阻會(hui) 隨溫度變化，因此功率耗損也會(hui) 隨之按比例變化。對MOS管施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會(hui) 越小；反之RDS(ON)就會(hui) 越高。
對係統設計人員來說，這就需要折中權衡。對便攜式設計來說，采用較低的電壓即可(較為(wei) 普遍)；而對於(yu) 工業(ye) 設計來說，可采用較高的電壓。需要注意的是，RDS(ON)電阻會(hui) 隨著電流輕微上升。
技術對器件的特性有著重大影響，因為(wei) 有些技術在提高最大VDS（漏源額定電壓）時往往會(hui) 使RDS(ON)增大。對於(yu) 這樣的技術，如果打算降低VDS和RDS(ON)，那麽(me) 就得增加晶片尺寸，從(cong) 而增加與(yu) 之配套的封裝尺寸及相關(guan) 的開發成本。業(ye) 界現有好幾種試圖控製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。
第四步是確定熱要求
在確定電流之後，就要計算係統的散熱要求。設計人員必須考慮兩(liang) 種不同的情況：最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結果，因為(wei) 這個(ge) 結果提供更大的安全餘(yu) 量，能確保係統不會(hui) 失效。在MOS管的資料表上還有一些需要注意的測量數據，比如封裝器件的半導體(ti) 結與(yu) 環境之間的熱阻，以及最大的結溫。
器件的結溫等於(yu) 最大環境溫度加上熱阻與(yu) 功率耗散的乘積，即結溫=最大環境溫度+（熱阻×功率耗散）。根據這個(ge) 方程可解出係統的最大功率耗散=I2×RDS(ON)。
由於(yu) 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(ti) 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(hui) 立即升溫。
雪崩擊穿（指半導體(ti) 器件上的反向電壓超過最大值，並形成強電場使器件內(nei) 電流增加）形成的電流將耗散功率，使器件溫度升高，而且有可能損壞器件。半導體(ti) 公司都會(hui) 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(liang) 種方法；一是統計法，另一是熱計算。而熱計算因為(wei) 較為(wei) 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(hui) 提高抗雪崩能力，最終提高器件的穩健性。對最終用戶而言，這意味著要在係統中采用更大的封裝件。
第五步是確定開關(guan) 性能
選擇MOS管的最後一步是確定其開關(guan) 性能。影響開關(guan) 性能的參數有很多，但最重要的是柵極/漏極、柵極/源極及漏極/源極電容。因為(wei) 在每次開關(guan) 時都要對這些電容充電，會(hui) 在器件中產(chan) 生開關(guan) 損耗；MOS管的開關(guan) 速度也因此被降低，器件效率隨之下降；其中，柵極電荷(Qgd)對開關(guan) 性能的影響最大。
為(wei) 計算開關(guan) 過程中器件的總損耗，設計人員必須計算開通過程中的損耗(Eon)和關(guan) 閉過程中的損耗(Eoff)，進而推導出MOS管開關(guan) 總功率：Psw=(Eon+Eoff)×開關(guan) 頻率。
增強型NMOS管構成的開關(guan) 電路
第六步為(wei) 封裝因素考量
不同的封裝尺寸MOS管具有不同的熱阻和耗散功率，需要考慮係統的散熱條件和環境溫度（如是否有風冷、散熱器的形狀和大小限製、環境是否封閉等因素），基本原則就是在保證功率MOS管的溫升和係統效率的前提下，選取參數和封裝更通用的功率MOS管。
常見的MOS管封裝有：
①插入式封裝：TO-3P、TO-247、TO-220、TO-220F、TO-251、TO-92；②表麵貼裝式：TO-263、TO-252、SOP-8、SOT-23、DFN5*6、DFN3*3；TO封裝MOS管
不同的封裝形式，MOS管對應的極限電流、電壓和散熱效果都會(hui) 不一樣，簡單介紹如下。
TO-3P/247：是中高壓、大電流MOS管常用的封裝形式，產(chan) 品具有耐壓高、抗擊穿能力強等特點，適於(yu) 中壓大電流（電流10A以上、耐壓值在100V以下）在120A以上、耐壓值200V以上的場所中使用。
TO-220/220F：這兩(liang) 種封裝樣式的MOS管外觀差不多，可以互換使用，不過TO-220背部有散熱片，其散熱效果比TO-220F要好些，價(jia) 格相對也要貴些。這兩(liang) 個(ge) 封裝產(chan) 品適於(yu) 中壓大電流120A以下、高壓大電流20A以下的場合應用。
TO-251：該封裝產(chan) 品主要是為(wei) 了降低成本和縮小產(chan) 品體(ti) 積，主要應用於(yu) 中壓大電流60A以下、高壓7N以下環境中。
TO-92：該封裝隻有低壓MOS管（電流10A以下、耐壓值60V以下）和高壓1N60/65在采用，主要是為(wei) 了降低成本。
TO-263：是TO-220的一個(ge) 變種，主要是為(wei) 了提高生產(chan) 效率和散熱而設計，支持極高的電流和電壓，在150A以下、30V以上的中壓大電流MOS管中較為(wei) 多見。
TO-252：是目前主流封裝之一，適用於(yu) 高壓在7N以下、中壓在70A以下環境中。
SOP-8：該封裝同樣是為(wei) 降低成本而設計，一般在50A以下的中壓、60V左右的低壓MOS管中較為(wei) 多見。
SOT-23：適於(yu) 幾A電流、60V及以下電壓環境中采用，其又分有大體(ti) 積和小體(ti) 積兩(liang) 種，主要區別在於(yu) 電流值不同。
總結
小到選N型還是P型、封裝類型，大到MOSFET的耐壓、導通電阻等，不同的應用需求千變萬(wan) 化，工程師在選擇MOS管時，一定要依據電路設計需求及MOS管工作場所來選取合適的MOS管，從(cong) 而獲得好的產(chan) 品設計體(ti) 驗。當然，在考慮性能的同時，成本也是選擇的因素之一，隻有高性價(jia) 比的產(chan) 品，才能讓工程師設計的產(chan) 品在品質與(yu) 收益中達到平衡。
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