選擇到一款正確的MOS管，可以很好地控制生產(chǎn)制造成本，最為重要的是，為產(chǎn)品匹配了一款最恰當(dāng)?shù)脑骷@在產(chǎn)品未來(lái)的使用過程中，將會(huì)充分發(fā)揮其“螺絲釘”的作用，確保設(shè)備得到最高效、最穩(wěn)定、最持久的應(yīng)用效果。

 

那么面對(duì)市面上琳瑯滿目的MOS管，該如何選擇呢？下面，我們就分7個(gè)步驟來(lái)闡述MOS管的選型要求。

 

首先是確定N、P溝道的選擇

 

MOS管有兩種結(jié)構(gòu)形式，即N溝道型和P溝道型，結(jié)構(gòu)不一樣，使用的電壓極性也會(huì)不一樣，因此，在確定選擇哪種產(chǎn)品前，首先需要確定采用N溝道還是P溝道MOS管。

 

MOS管的兩種結(jié)構(gòu)：N溝道型和P溝道型

 

在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)MOS管接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該MOS管就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOS管，這是出于對(duì)關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。

 

當(dāng)MOS管連接到總線及負(fù)載接地時(shí)，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎肞溝道MOS管，這也是出于對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)的考慮。

 

要選擇適合應(yīng)用的器件，必須確定驅(qū)動(dòng)器件所需的電壓，以及在設(shè)計(jì)中最簡(jiǎn)易執(zhí)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(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，額定電壓應(yīng)當(dāng)大于干線電壓或總線電壓，一般會(huì)留出1.2~1.5倍的電壓余量，這樣才能提供足夠的保護(hù)，使MOS管不會(huì)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。由于MOS管所能承受的最大電壓會(huì)隨溫度變化而變化，設(shè)計(jì)人員必須在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)測(cè)試電壓的變化范圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個(gè)變化范圍，確保電路不會(huì)失效。

 

此外，設(shè)計(jì)工程師還需要考慮其他安全因素：如由開關(guān)電子設(shè)備(常見有電機(jī)或變壓器)誘發(fā)的電壓瞬變。另外，不同應(yīng)用的額定電壓也有所不同；通常便攜式設(shè)備選用20V的MOS管，F(xiàn)PGA電源為20～30V的MOS管，85～220V AC應(yīng)用時(shí)MOS管VDS為450～600V。

 

第三步為確定電流

 

確定完電壓后，接下來(lái)要確定的就是MOS管的電流。需根據(jù)電路結(jié)構(gòu)來(lái)決定，MOS管的額定電流應(yīng)是負(fù)載在所有情況下都能夠承受的最大電流；與電壓的情況相似，MOS管的額定電流必須能滿足系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時(shí)的需求。

 

電流的確定需從兩個(gè)方面著手：連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，MOS管處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個(gè)最大電流的器件便可。

 

選好額定電流后，還必須計(jì)算導(dǎo)通損耗。在實(shí)際情況下，MOS管并不是理想的器件，因?yàn)樵趯?dǎo)電過程中會(huì)有電能損耗，也就是導(dǎo)通損耗。MOS管在“導(dǎo)通”時(shí)就像一個(gè)可變電阻，由器件的導(dǎo)通電阻RDS(ON)所確定，并隨溫度而顯著變化。

 

器件的功率損耗PTRON=Iload2×RDS(ON)計(jì)算（Iload：最大直流輸出電流），由于導(dǎo)通電阻會(huì)隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì)隨之按比例變化。對(duì)MOS管施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會(huì)越?。环粗甊DS(ON)就會(huì)越高。

對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這就需要折中權(quán)衡。

 

對(duì)便攜式設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，采用較低的電壓即可(較為普遍)；而對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，可采用較高的電壓。需要注意的是，RDS(ON)電阻會(huì)隨著電流輕微上升。

 

技術(shù)對(duì)器件的特性有著重大影響，因?yàn)橛行┘夹g(shù)在提高最大VDS（漏源額定電壓）時(shí)往往會(huì)使RDS(ON)增大。對(duì)于這樣的技術(shù)，如果打算降低VDS和RDS(ON)，那么就得增加晶片尺寸，從而增加與之配套的封裝尺寸及相關(guān)的開發(fā)成本。業(yè)界現(xiàn)有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術(shù)，其中最主要的是溝道和電荷平衡技術(shù)。

 

在溝道技術(shù)中，晶片中嵌入了一個(gè)深溝，通常是為低電壓預(yù)留的，用于降低導(dǎo)通電阻RDS(ON)。為了減少最大VDS對(duì)RDS(ON)的影響，開發(fā)過程中采用了外延生長(zhǎng)柱/蝕刻柱工藝。例如，飛兆半導(dǎo)體開發(fā)的SupeRFET技術(shù)，針對(duì)RDS(ON)的降低而增加了額外的制造步驟。

 

這種對(duì)RDS(ON)的關(guān)注十分重要，因?yàn)楫?dāng)標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的擊穿電壓升高時(shí)，RDS(ON)會(huì)隨之呈指數(shù)級(jí)增加，并且導(dǎo)致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS(ON)與晶片尺寸間的指數(shù)關(guān)系變成了線性關(guān)系。

 

 

這樣，SuperFET器件便可在小晶片尺寸，甚至在擊穿電壓達(dá)到600V的情況下，實(shí)現(xiàn)理想的低RDS(ON)。結(jié)果是晶片尺寸可減小達(dá)35%。而對(duì)于最終用戶來(lái)說(shuō)，這意味著封裝尺寸的大幅減小。

 

SuperFET III MOSFET系列參數(shù)

 

第四步是確定熱要求

 

在確定電流之后，就要計(jì)算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況：最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對(duì)最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會(huì)失效。在MOS管的資料表上還有一些需要注意的測(cè)量數(shù)據(jù)，比如封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。

 

器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積，即結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+（熱阻×功率耗散）。根據(jù)這個(gè)方程可解出系統(tǒng)的最大功率耗散=I2×RDS(ON)。

 

由于設(shè)計(jì)人員已確定將要通過器件的最大電流，因此可以計(jì)算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是，在處理簡(jiǎn)單熱模型時(shí)，設(shè)計(jì)人員還必須考慮半導(dǎo)體結(jié)/器件外殼及外殼/環(huán)境的熱容量；即要求印刷電路板和封裝不會(huì)立即升溫。

 

雪崩擊穿（指半導(dǎo)體器件上的反向電壓超過最大值，并形成強(qiáng)電場(chǎng)使器件內(nèi)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(dǎo)體公司都會(huì)對(duì)器件進(jìn)行雪崩測(cè)試，計(jì)算其雪崩電壓，或?qū)ζ骷姆€(wěn)健性進(jìn)行測(cè)試。

 

計(jì)算額定雪崩電壓有兩種方法；一是統(tǒng)計(jì)法，另一是熱計(jì)算。而熱計(jì)算因?yàn)檩^為實(shí)用而得到廣泛采用。除計(jì)算外，技術(shù)對(duì)雪崩效應(yīng)也有很大影響。例如，晶片尺寸的增加會(huì)提高抗雪崩能力，最終提高器件的穩(wěn)健性。對(duì)最終用戶而言，這意味著要在系統(tǒng)中采用更大的封裝件。

 

第五步是確定開關(guān)性能

 

選擇MOS管的最后一步是確定其開關(guān)性能。影響開關(guān)性能的參數(shù)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?yàn)樵诿看伍_關(guān)時(shí)都要對(duì)這些電容充電，會(huì)在器件中產(chǎn)生開關(guān)損耗；MOS管的開關(guān)速度也因此被降低，器件效率隨之下降；其中，柵極電荷(Qgd)對(duì)開關(guān)性能的影響最大。

 

為計(jì)算開關(guān)過程中器件的總損耗，設(shè)計(jì)人員必須計(jì)算開通過程中的損耗(Eon)和關(guān)閉過程中的損耗(Eoff)，進(jìn)而推導(dǎo)出MOS管開關(guān)總功率：Psw=(Eon+Eoff)×開關(guān)頻率。

 

增強(qiáng)型NMOS管構(gòu)成的開關(guān)電路

 

第六步為封裝因素考量

 

不同的封裝尺寸MOS管具有不同的熱阻和耗散功率，需要考慮系統(tǒng)的散熱條件和環(huán)境溫度（如是否有風(fēng)冷、散熱器的形狀和大小限制、環(huán)境是否封閉等因素），基本原則就是在保證功率MOS管的溫升和系統(tǒng)效率的前提下，選取參數(shù)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表面貼裝式：TO-263、TO-252、SOP-8、SOT-23、DFN。

 

TO封裝MOS管

 

不同的封裝形式，MOS管對(duì)應(yīng)的極限電流、電壓和散熱效果都會(huì)不一樣，簡(jiǎn)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(chǎn)品具有耐壓高、抗擊穿能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適于中壓大電流（電流10A以上、耐壓值在100V以下）在120A以上、耐壓值200V以上的場(chǎng)所中使用。

 

TO-220/220F：這兩種封裝樣式的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(jià)格相對(duì)也要貴些。這兩個(gè)封裝產(chǎn)品適于中壓大電流120A以下、高壓大電流20A以下的場(chǎng)合應(yīng)用。

 

TO-251：該封裝產(chǎn)品主要是為了降低成本和縮小產(chǎn)品體積，主要應(yīng)用于中壓大電流60A以下、高壓7N以下環(huán)境中。

 

TO-92：該封裝只有低壓MOS管（電流10A以下、耐壓值60V以下）和高壓1N60/65在采用，主要是為了降低成本。

 

TO-263：是TO-220的一個(gè)變種，主要是為了提高生產(chǎn)效率和散熱而設(shè)計(jì)，支持極高的電流和電壓，在150A以下、30V以上的中壓大電流MOS管中較為多見。

 

TO-252：是目前主流封裝之一，適用于高壓在7N以下、中壓在70A以下環(huán)境中。

 

SOP-8：該封裝同樣是為降低成本而設(shè)計(jì)，一般在50A以下的中壓、60V左右的低壓MOS管中較為多見。

 

SOT-23：適于幾A電流、60V及以下電壓環(huán)境中采用，其又分有大體積和小體積兩種，主要區(qū)別在于電流值不同。

 

DFN：體積上，較SOT-23大，但小于TO-252，一般在低壓和30A以下中壓MOS管中有采用，得益于產(chǎn)品體積小，主要應(yīng)用于DC小功率電流環(huán)境中。

 

第七步要選擇好品牌

 

MOS管的生產(chǎn)企業(yè)很多，大致說(shuō)來(lái)，主要有歐美系、日系、韓系、臺(tái)系、國(guó)產(chǎn)幾大系列。

 

歐美系代表企業(yè)：IR、ST、仙童、安森美、TI、PI、英飛凌等；

日系代表企業(yè)：東芝、瑞薩、新電元等；

韓系代表企業(yè)：KEC、AUK、美格納、森名浩、威士頓、信安、KIA等；

臺(tái)系代表企業(yè)：APEC、CET；

國(guó)產(chǎn)代表企業(yè)：吉林華微、士蘭微、華潤(rùn)華晶、東光微、深愛半導(dǎo)體等。

 

在這些品牌中，以歐美系企業(yè)的產(chǎn)品種類最全、技術(shù)及性能最優(yōu)，從性能效果考慮，是為MOS管的首選；以瑞薩、東芝為代表的日系企業(yè)也是MOS管的高端品牌，同樣具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；這些品牌也是市面上被仿冒最多的。另外，由于品牌價(jià)值、技術(shù)優(yōu)勢(shì)等原因，歐美系和日系品牌企業(yè)的產(chǎn)品價(jià)格也往往較高。

 

韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣的MOS管企業(yè)也是行業(yè)的重要產(chǎn)品供應(yīng)商，不過在技術(shù)上，要稍弱于歐美及日系企業(yè)，但在價(jià)格方面，較歐美及日系企業(yè)更具優(yōu)勢(shì)；性價(jià)比相對(duì)高很多。

 

而在中國(guó)大陸，同樣活躍著一批本土企業(yè)，他們借助更低的成本優(yōu)勢(shì)和更快的客戶服務(wù)響應(yīng)速度，在中低端及細(xì)分領(lǐng)域具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，部分實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)替代；目前也在不斷沖擊高端產(chǎn)品線，以滿足本土客戶的需求。另外，本土企業(yè)還通過資本運(yùn)作，成功收購(gòu)了安世半導(dǎo)體等國(guó)際知名的功率器件公司，將更好地滿足本土對(duì)功率器件的需求。

 

小結(jié)

 

小到選N型還是P型、封裝類型，大到MOSFET的耐壓、導(dǎo)通電阻等，不同的應(yīng)用需求千變?nèi)f化，工程師在選擇MOS管時(shí)，一定要依據(jù)電路設(shè)計(jì)需求及MOS管工作場(chǎng)所來(lái)選取合適的MOS管，從而獲得最佳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)體驗(yàn)。當(dāng)然，在考慮性能的同時(shí)，成本也是選擇的因素之一，只有高性價(jià)比的產(chǎn)品，才能讓工程師設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在品質(zhì)與收益中達(dá)到平衡。

 

 

推薦閱讀：