一位工程師曾經(jīng)對我講，他從來不看MOSFET數(shù)據(jù)表的第一頁，因?yàn)?ldquo;實(shí)用”的信息只在第二頁以后才出現(xiàn)。事實(shí)上，MOSFET數(shù)據(jù)表上的每一頁都包含有對設(shè)計者非常有價值的信息。但人們不是總能搞得清楚該如何解讀制造商提供的數(shù)據(jù)。本文概括了一些MOSFET的關(guān)鍵指標(biāo)，這些指標(biāo)在數(shù)據(jù)表上是如何表述的，以及你理解這些指標(biāo)所要用到的清晰圖片。像大多數(shù)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(diǎn)是了解測試條件，所提到的指標(biāo)是在這些條件下應(yīng)用的。還有很關(guān)鍵的一點(diǎn)是弄明白你在“產(chǎn)品簡介”里看到的這些指標(biāo)是“最大”或是“典型”值，因?yàn)橛行?shù)據(jù)表并沒有說清楚。

 

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“25℃下的絕對最高電壓”，但是一定要記住，這個絕對電壓與溫度有關(guān)，而且數(shù)據(jù)表里通常有一個“VDS溫度系數(shù)”。你還要明白，最高VDS是直流電壓加上可能在電路里存在的任何電壓尖峰和紋波。例如，如果你在電壓30V并帶有100mV、5ns尖峰的電源里使用30V器件，電壓就會超過器件的絕對最高限值，器件可能會進(jìn)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，溫度系數(shù)會顯著改變擊穿電壓。例如，一些600V電壓等級的N溝道MOSFET的溫度系數(shù)是正的，在接近最高結(jié)溫時，溫度系數(shù)會讓這些MOSFET變得象650V MOSFET。很多MOSFET用戶的設(shè)計規(guī)則要求10%～20%的降額因子。在一些設(shè)計里，考慮到實(shí)際的擊穿電壓比25℃下的額定數(shù)值要高5%~10%，會在實(shí)際設(shè)計中增加相應(yīng)的有用設(shè)計裕量，對設(shè)計是很有利的。

 

對正確選擇MOSFET同樣重要的是理解在導(dǎo)通過程中柵源電壓VGS的作用。這個電壓是在給定的最大RDS(on)條件下，能夠確保MOSFET完全導(dǎo)通的電壓。這就是為什么導(dǎo)通電阻總是與VGS水平關(guān)聯(lián)在一起的原因，而且也是只有在這個電壓下才能保證器件導(dǎo)通。一個重要的設(shè)計結(jié)果是，你不能用比用于達(dá)到RDS(on)額定值的最低VGS還要低的電壓，來使MOSFET完全導(dǎo)通。例如，用3.3V微控制器驅(qū)動MOSFET完全導(dǎo)通，你需要用在VGS= 2.5V或更低條件下能夠?qū)ǖ腗OSFET。

 

導(dǎo)通電阻，柵極電荷，以及“優(yōu)值系數(shù)”

 

MOSFET的導(dǎo)通電阻總是在一個或多個柵源電壓條件下確定的。最大RDS(on)限值可以比典型數(shù)值高20%～50%。 RDS(on)最大限值通常指的25℃結(jié)溫下的數(shù)值，而在更高的溫度下，RDS(on)可以增加30%～150%，如圖1所示。由于RDS(on)隨溫度而變，而且不能保證最小的電阻值，根據(jù)RDS(on)來檢測電流不是很準(zhǔn)確的方法。

 

圖1 RDS(on)在最高工作溫度的30%～150%這個范圍內(nèi)隨溫度增加而增加

 

導(dǎo)通電阻對N溝道和P溝道MOSFET都是十分重要的。在開關(guān)電源中，Qg是用在開關(guān)電源里的N溝道MOSFET的關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)镼g會影響開關(guān)損耗。這些損耗有兩個方面影響：一個是影響MOSFET導(dǎo)通和關(guān)閉的轉(zhuǎn)換時間；另一個是每次開關(guān)過程中對柵極電容充電所需的能量。要牢記的一點(diǎn)是，Qg取決于柵源電壓，即使用更低的Vgs可以減少開關(guān)損耗。

 

作為一種快速比較準(zhǔn)備用在開關(guān)應(yīng)用里MOSFET的方式，設(shè)計者經(jīng)常使用一個單數(shù)公式，公式包括表示傳導(dǎo)損耗RDS(on)及表示開關(guān)損耗的Qg：RDS(on) xQg。這個“優(yōu)值系數(shù)”(FOM)總結(jié)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(jìn)行準(zhǔn)確的比較，你需要確定用于RDS(on) 和Qg的是相同的VGS，在公示里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(guān)應(yīng)用里獲得更好的性能，但是不能保證這一點(diǎn)。只有在實(shí)際的電路里才能獲得最好的比較結(jié)果，在某些情況下可能需要針對每個MOSFET對電路進(jìn)行微調(diào)。

 

額定電流和功率耗散

 

基于不同的測試條件，大多數(shù)MOSFET在數(shù)據(jù)表里都有一個或多個的連續(xù)漏極電流。你要仔細(xì)看看數(shù)據(jù)表，搞清楚這個額定值是在指定的外殼溫度下(比如TC = 25℃)，或是環(huán)境溫度(比如TA = 25℃)。這些數(shù)值當(dāng)中哪些是最相關(guān)將取決于器件的特性和應(yīng)用(見圖2)。

 

圖2  全部絕對最大電流和功率數(shù)值都是真實(shí)的數(shù)據(jù)

 

對于用在手持設(shè)備里的小型表面貼裝器件，關(guān)聯(lián)度最高的電流等級可能是在70℃環(huán)境溫度下的電流，對于有散熱片和強(qiáng)制風(fēng)冷的大型設(shè)備，在TA = 25℃下的電流等級可能更接近實(shí)際情況。對于某些器件來說，管芯在其最高結(jié)溫下能夠處理的電流要高于封裝所限定的電流水平，在一些數(shù)據(jù)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(bǔ)充信息，可以讓你了解管芯的魯棒性。

 

對于連續(xù)的功率耗散也要考慮類似的情況，功耗耗散不僅取決于溫度，而且取決于導(dǎo)通時間。設(shè)想一個器件在TA= 70℃情況下，以PD=4W連續(xù)工作10秒鐘。構(gòu)成“連續(xù)”時間周期的因素會根據(jù)MOSFET封裝而變化，所以你要使用數(shù)據(jù)表里的標(biāo)準(zhǔn)化熱瞬態(tài)阻抗圖，看經(jīng)過10秒、100秒或10分鐘后的功率耗散是什么樣的。如圖3所示，這個專用器件經(jīng)過10秒脈沖后的熱阻系數(shù)大約是0.33，這意味著經(jīng)過大約10分鐘后，一旦封裝達(dá)到熱飽和，器件的散熱能力只有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(dá)到2W左右。

 

圖3   MOSFET在施加功率脈沖情況下的熱阻

 

實(shí)際上，我們可以把MOSFET選型分成四個步驟。

 

第一步：選用N溝道還是P溝道

 

為設(shè)計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個MOSFET接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時，該MOSFET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MOSFET，這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOSFET連接到總線及負(fù)載接地時，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓?fù)渲胁捎肞溝道MOSFET，這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮。　　

 

要選擇適合應(yīng)用的器件，必須確定驅(qū)動器件所需的電壓，以及在設(shè)計中最簡易執(zhí)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(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。這樣才能提供足夠的保護(hù)，使MOSFET不會失效。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隨溫度而變化這點(diǎn)十分重要。設(shè)計人員必須在整個工作溫度范圍內(nèi)測試電壓的變化范圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個變化范圍，確保電路不會失效。設(shè)計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關(guān)電子設(shè)備(如電機(jī)或變壓器)誘發(fā)的電壓瞬變。不同應(yīng)用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設(shè)備為20V、FPGA電源為20～30V、85～220VAC應(yīng)用為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(jié)構(gòu)而定，該額定電流應(yīng)是負(fù)載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設(shè)計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，MOSFET處于穩(wěn)態(tài)，此時電流連續(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最大電流的器件便可。　

　

選好額定電流后，還必須計算導(dǎo)通損耗。在實(shí)際情況下，MOSFET并不是理想的器件，因?yàn)樵趯?dǎo)電過程中會有電能損耗，這稱之為導(dǎo)通損耗。MOSFET在“導(dǎo)通”時就像一個可變電阻，由器件的RDS(ON)所確定，并隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算，由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會越??；反之RDS(ON)就會越高。對系統(tǒng)設(shè)計人員來說，這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方。對便攜式設(shè)計來說，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對于工業(yè)設(shè)計，可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS(ON)電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到?！　?/div>