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詳解電源設(shè)計(jì)中MOS管發(fā)熱的原因

發(fā)布時(shí)間:2015-10-21 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】做電源設(shè)計(jì),或者做驅(qū)動(dòng)方面的電路,難免要用到場(chǎng)效應(yīng)管,也就是人們常說(shuō)的MOS管。MOS管有很多種類,也有很多作用。做電源或者驅(qū)動(dòng)的使用,當(dāng)然就是用它的開(kāi)關(guān)作用。
 
無(wú)論N型或者P型MOS管,其工作原理本質(zhì)是一樣的。MOS管是由加在輸入端柵極的電壓來(lái)控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件,它通過(guò)加在柵極上的電壓控制器件的特性,不會(huì)發(fā)生像三極管做開(kāi)關(guān)時(shí)的因基極電流引起的電荷存儲(chǔ)效應(yīng),因此在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中, MOS管的開(kāi)關(guān)速度應(yīng)該比三極管快。其主要原理如圖:圖1。
 
圖1 MOS管的工作原理
 
我們?cè)陂_(kāi)關(guān)電源中常用MOS管的漏極開(kāi)路電路,如圖2漏極原封不動(dòng)地接負(fù)載,叫開(kāi)路漏極,開(kāi)路漏極電路中不管負(fù)載接多高的電壓,都能夠接通和關(guān)斷負(fù)載電流。是理想的模擬開(kāi)關(guān)器件。這就是MOS管做開(kāi)關(guān)器件的原理。當(dāng)然MOS管做開(kāi)關(guān)使用的電路形式比較多了。
 
圖2 NMOS管的開(kāi)路漏極電路
 
在開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用方面,這種應(yīng)用需要MOS管定期導(dǎo)通和關(guān)斷。比如,DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依賴兩個(gè)MOS管來(lái)執(zhí)行開(kāi)關(guān)功能,這些開(kāi)關(guān)交替在電感里存儲(chǔ)能量,然后把能量釋放給負(fù)載。我們常選擇數(shù)百kHz乃至1 MHz以上的頻率,因?yàn)轭l率越高,磁性元件可以更小更輕。在正常工作期間,MOS管只相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體。因此,我們電路或者電源設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的是MOS的最小傳導(dǎo)損耗。
 
我們經(jīng)??碝OS管的PDF參數(shù),MOS管制造商采用RDS(ON) 參數(shù)來(lái)定義導(dǎo)通阻抗,對(duì)開(kāi)關(guān)應(yīng)用來(lái)說(shuō),RDS(ON) 也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊(cè)定義RDS(ON) 與柵極 (或驅(qū)動(dòng)) 電壓 VGS 以及流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流有關(guān),但對(duì)于充分的柵極驅(qū)動(dòng),RDS(ON) 是一個(gè)相對(duì)靜態(tài)參數(shù)。一直處于導(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。另外,慢慢升高的結(jié)溫也會(huì)導(dǎo)致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了熱阻抗參數(shù),其定義為MOS管封裝的半導(dǎo)體結(jié)散熱能力。RθJC的最簡(jiǎn)單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。
 
1.發(fā)熱情況有,電路設(shè)計(jì)的問(wèn)題,就是讓MOS管工作在線性的工作狀態(tài),而不是在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。這也是導(dǎo)致MOS管發(fā)熱的一個(gè)原因。如果N-MOS做開(kāi)關(guān),G級(jí)電壓要比電源高幾V,才能完全導(dǎo)通,P-MOS則相反。沒(méi)有完全打開(kāi)而壓降過(guò)大造成功率消耗,等效直流阻抗比較大,壓降增大,所以U*I也增大,損耗就意味著發(fā)熱。這是設(shè)計(jì)電路的最忌諱的錯(cuò)誤。
 
2,頻率太高,主要是有時(shí)過(guò)分追求體積,導(dǎo)致頻率提高,MOS管上的損耗增大了,所以發(fā)熱也加大了
 
3,沒(méi)有做好足夠的散熱設(shè)計(jì),電流太高,MOS管標(biāo)稱的電流值,一般需要良好的散熱才能達(dá)到。所以ID小于最大電流,也可能發(fā)熱嚴(yán)重,需要足夠的輔助散熱片。
 
4,MOS管的選型有誤,對(duì)功率判斷有誤,MOS管內(nèi)阻沒(méi)有充分考慮,導(dǎo)致開(kāi)關(guān)阻抗增大
 
這是我最近在處理MOS管發(fā)熱問(wèn)題時(shí)簡(jiǎn)單總結(jié)的。其實(shí)這些問(wèn)題也是老生常談的問(wèn)題,做開(kāi)關(guān)電源或者M(jìn)OS管開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)這些知識(shí)應(yīng)該是爛熟于心,當(dāng)然有時(shí)還有其他方面的因素,主要就是以上幾種原因。
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