關(guan) 於(yu) MOSFET的這些關(guan) 鍵指標，你知道嗎？
來源：21ic電子網
本文概括了一些MOSFET的關(guan) 鍵指標，這些指標在數據表上是如何表述的，以及你理解這些指標所要用到的清晰圖片。像大多數電子器件一樣，MOSFET也受到工作溫度的影響。所以很重要的一點是了解測試條件，所提到的指標是在這些條件下應用的。還有很關(guan) 鍵的一點是弄明白你在“產(chan) 品簡介”裏看到的這些指標是“最大”或是“典型”值，因為(wei) 有些數據表並沒有說清楚。
電壓等級
確定MOSFET的首要特性是其漏源電壓VDS，或“漏源擊穿電壓”，這是在柵極短路到源極，漏極電流在250μA情況下，MOSFET所能承受的保證不損壞的最高電壓。VDS也被稱為(wei) “25℃下的絕對最高電壓”，但是一定要記住，這個(ge) 絕對電壓與(yu) 溫度有關(guan) ，而且數據表裏通常有一個(ge) “VDS溫度係數”。你還要明白，最高VDS是直流電壓加上可能在電路裏存在的任何電壓尖峰和紋波。例如，如果你在電壓30V並帶有100mV、5ns尖峰的電源裏使用30V器件，電壓就會(hui) 超過器件的絕對最高限值，器件可能會(hui) 進入雪崩模式。在這種情況下，MOSFET的可靠性沒法得到保證。
在高溫下，溫度係數會(hui) 顯著改變擊穿電壓。例如，一些600V電壓等級的N溝道MOSFET的溫度係數是正的，在接近最高結溫時，溫度係數會(hui) 讓這些MOSFET變得象650V MOSFET。很多MOSFET用戶的設計規則要求10%～20%的降額因子。在一些設計裏，考慮到實際的擊穿電壓比25℃下的額定數值要高5%~10%，會(hui) 在實際設計中增加相應的有用設計裕量，對設計是很有利的。
對正確選擇MOSFET同樣重要的是理解在導通過程中柵源電壓VGS的作用。這個(ge) 電壓是在給定的最大RDS(on)條件下，能夠確保MOSFET完全導通的電壓。這就是為(wei) 什麽(me) 導通電阻總是與(yu) VGS水平關(guan) 聯在一起的原因，而且也是隻有在這個(ge) 電壓下才能保證器件導通。一個(ge) 重要的設計結果是，你不能用比用於(yu) 達到RDS(on)額定值的最低VGS還要低的電壓，來使MOSFET完全導通。例如，用3.3V微控製器驅動MOSFET完全導通，你需要用在VGS= 2.5V或更低條件下能夠導通的MOSFET。
導通電阻，柵極電荷，以及“優(you) 值係數”
MOSFET的導通電阻總是在一個(ge) 或多個(ge) 柵源電壓條件下確定的。最大RDS(on)限值可以比典型數值高20%～50%。RDS(on)最大限值通常指的25℃結溫下的數值，而在更高的溫度下，RDS(on)可以增加30%～150%，如圖1所示。由於(yu) RDS(on)隨溫度而變，而且不能保證最小的電阻值，根據RDS(on)來檢測電流不是很準確的方法。
導通電阻對N溝道和P溝道MOSFET都是十分重要的。在開關(guan) 電源中，Qg是用在開關(guan) 電源裏的N溝道MOSFET的關(guan) 鍵選擇標準，因為(wei) Qg會(hui) 影響開關(guan) 損耗。這些損耗有兩(liang) 個(ge) 方麵影響：一個(ge) 是影響MOSFET導通和關(guan) 閉的轉換時間;另一個(ge) 是每次開關(guan) 過程中對柵極電容充電所需的能量。要牢記的一點是，Qg取決(jue) 於(yu) 柵源電壓，即使用更低的Vgs可以減少開關(guan) 損耗。
作為(wei) 一種快速比較準備用在開關(guan) 應用裏MOSFET的方式，設計者經常使用一個(ge) 單數公式，公式包括表示傳(chuan) 導損耗RDS(on)及表示開關(guan) 損耗的Qg：RDS(on) xQg。這個(ge) “優(you) 值係數”(FOM)總結了器件的性能，可以用典型值或最大值來比較MOSFET。要保證在器件中進行準確的比較，你需要確定用於(yu) RDS(on) 和Qg的是相同的VGS，在公示裏典型值和最大值沒有碰巧混在一起。較低的FOM能讓你在開關(guan) 應用裏獲得更好的性能，但是不能保證這一點。隻有在實際的電路裏才能獲得最好的比較結果，在某些情況下可能需要針對每個(ge) MOSFET對電路進行微調。
額定電流和功率耗散
基於(yu) 不同的測試條件，大多數MOSFET在數據表裏都有一個(ge) 或多個(ge) 的連續漏極電流。你要仔細看看數據表，搞清楚這個(ge) 額定值是在指定的外殼溫度下(比如TC = 25℃)，或是環境溫度(比如TA = 25℃)。這些數值當中哪些是最相關(guan) 將取決(jue) 於(yu) 器件的特性和應用。
對於(yu) 用在手持設備裏的小型表麵貼裝器件，關(guan) 聯度最高的電流等級可能是在70℃環境溫度下的電流，對於(yu) 有散熱片和強製風冷的大型設備，在TA = 25℃下的電流等級可能更接近實際情況。對於(yu) 某些器件來說，管芯在其最高結溫下能夠處理的電流要高於(yu) 封裝所限定的電流水平，在一些數據表，這種“管芯限定”的電流等級是對“封裝限定”電流等級的額外補充信息，可以讓你了解管芯的魯棒性。
對於(yu) 連續的功率耗散也要考慮類似的情況，功耗耗散不僅(jin) 取決(jue) 於(yu) 溫度，而且取決(jue) 於(yu) 導通時間。設想一個(ge) 器件在TA= 70℃情況下，以PD=4W連續工作10秒鍾。構成“連續”時間周期的因素會(hui) 根據MOSFET封裝而變化，所以你要使用數據表裏的標準化熱瞬態阻抗圖，看經過10秒、100秒或10分鍾後的功率耗散是什麽(me) 樣的。如圖3所示，這個(ge) 專(zhuan) 用器件經過10秒脈衝(chong) 後的熱阻係數大約是0.33，這意味著經過大約10分鍾後，一旦封裝達到熱飽和，器件的散熱能力隻有1.33W而不是4W，盡管在良好冷卻的情況下器件的散熱能力可以達到2W左右。
實際上，我們(men) 可以把MOSFET選型分成四個(ge) 步驟。
第一步：選用N溝道還是P溝道
為(wei) 設計選擇正確器件的第一步是決(jue) 定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應用中，當一個(ge) MOSFET接地，而負載連接到幹線電壓上時，該MOSFET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MOSFET，這是出於(yu) 對關(guan) 閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET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MOSFET，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。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，額定電壓應當大於(yu) 幹線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOSFET不會(hui) 失效。就選擇MOSFET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MOSFET能承受的最大電壓會(hui) 隨溫度而變化這點十分重要。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。設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關(guan) 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，便攜式設備為(wei) 20V、FPGA電源為(wei) 20～30V、85～220VAC應用為(wei) 450～600V。
第二步：確定額定電流
第二步是選擇MOSFET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(yu) 電壓的情況相似，設計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個(ge) 額定電流，即使在係統產(chan) 生尖峰電流時。兩(liang) 個(ge) 考慮的電流情況是連續模式和脈衝(chong) 尖峰。在連續導通模式下，MOSFET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，MOSFET並不是理想的器件，因為(wei) 在導電過程中會(hui) 有電能損耗，這稱之為(wei) 導通損耗。MOSFET在“導通”時就像一個(ge) 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，由於(yu) 導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(hui) 隨之按比例變化。對MOSFET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，這就是取決(jue) 於(yu) 係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(較為(wei) 普遍)，而對於(yu) 工業(ye) 設計，可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會(hui) 隨著電流輕微上升。關(guan) 於(yu) RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在製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，因為(wei) 有些技術在提高最大VDS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。
在溝道技術中，晶片中嵌入了一個(ge) 深溝，通常是為(wei) 低電壓預留的，用於(yu) 降低導通電阻RDS(ON)。為(wei) 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(ti) 開發了稱為(wei) SuperFET的技術，針對RDS(ON)的降低而增加了額外的製造步驟。
這種對RDS(ON)的關(guan) 注十分重要，因為(wei) 當標準MOSFET的擊穿電壓升高時，RDS(ON)會(hui) 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(yu) 晶片尺寸間的指數關(guan) 係變成了線性關(guan) 係。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%。而對於(yu) 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
選擇MOSFET的下一步是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，即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MOSFET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(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，即按定義(yi) 相等於(yu) 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。
雪崩擊穿是指半導體(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。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(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。不少公司都有提供其器件測試的詳情，如飛兆半導體(ti) 提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”( Power MOSFET Avalanche Guidelines--可以到Fairchild網站去下載)。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。
第四步：決(jue) 定開關(guan) 性能
選擇MOSFET的最後一步是決(jue) 定MOSFET的開關(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。這些電容會(hui) 在器件中產(chan) 生開關(guan) 損耗，因為(wei) 在每次開關(guan) 時都要對它們(men) 充電。MOSFET的開關(guan) 速度因此被降低，器件效率也下降。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)。MOSFET開關(guan) 的總功率可用如下方程表達：Psw=(Eon+Eoff)×開關(guan) 頻率。而柵極電荷(Qgd)對開關(guan) 性能的影響最大。
基於(yu) 開關(guan) 性能的重要性，新的技術正在不斷開發以解決(jue) 這個(ge) 開關(guan) 問題。芯片尺寸的增加會(hui) 加大柵極電荷;而這會(hui) 使器件尺寸增大。為(wei) 了減少開關(guan) 損耗，新的技術如溝道厚底氧化已經應運而生，旨在減少柵極電荷。以上就是MOSFET解析，希望能給大家幫助。
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