如何為具體應用恰當的選擇MOSFET

雖然工程師都熟諳MOSFET數據手冊上的品質因數，但為了選擇出合適的MOSFET，工程師必需利用自己的專業知識對各個具體應用的不同規格進行全面仔細的考慮。例如，對于服務器電源中的負載開關這類應用，由于MOSFET基本上一直都是處于導通狀態，故MOSFET的開關特性無關緊要，而導通阻抗(RDS(ON))卻可能是這種應用的關鍵品質因數。然而，仍然有一些應用，比如開關電源，把MOSFET用作有源開關，因此工程師必須評估其它的MOSFET性能參數。下面讓我們考慮一些應用及其MOSFET規格參數的優先順序。

　　MOSFET最常見的應用可能是電源中的開關元件，此外，它們對電源輸出也大有裨益。服務器和通信設備等應用一般都配置有多個并行電源，以支持N+1 冗余與持續工作 (圖 1)。各并行電源平均分擔負載，確保系統即使在一個電源出現故障的情況下仍然能夠繼續工作。不過，這種架構還需要一種方法把并行電源的輸出連接在一起，并保證某個電源的故障不會影響到其它的電源。在每個電源的輸出端，有一個功率MOSFET可以讓眾電源分擔負載，同時各電源又彼此隔離 。起這種作用的MOSFET 被稱為ORingFET，因為它們本質上是以 OR 邏輯來連接多個電源的輸出。

　　圖1：用于針對N+1冗余拓撲的并行電源控制的MOSFET。

　　在ORing FET應用中，MOSFET的作用是開關器件，但是由于服務器類應用中電源不間斷工作，這個開關實際上始終處于導通狀態。其開關功能只發揮在啟動和關斷，以及電源出現故障之時 。

　　相比從事以開關為核心應用的設計人員，ORing FET應用設計人員顯然必需關注MOSFET的不同特性。以服務器為例，在正常工作期間，MOSFET只相當于一個導體。因此，ORing FET應用設計人員最關心的是最小傳導損耗。

　　低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺寸降至最小

　　一般而言，MOSFET 制造商采用RDS(ON) 參數來定義導通阻抗;對ORing FET應用來說，RDS(ON) 也是最重要的器件特性。數據手冊定義RDS(ON) 與柵極 (或驅動) 電壓 VGS 以及流經開關的電流有關，但對于充分的柵極驅動，RDS(ON) 是一個相對靜態參數。例如，飛兆半導體 FDMS7650 的數據手冊規定，對于10V 的柵極驅動，最大RDS(ON) 為0.99 mΩ。

　　若設計人員試圖開發尺寸最小、成本最低的電源，低導通阻抗更是加倍的重要。在電源設計中，每個電源常常需要多個ORing MOSFET并行工作，需要多個器件來把電流傳送給負載。在許多情況下，設計人員必須并聯MOSFET，以有效降低RDS(ON)。

　　需謹記，在 DC 電路中，并聯電阻性負載的等效阻抗小于每個負載單獨的阻抗值。比如，兩個并聯的2Ω 電阻相當于一個1Ω的電阻 。因此，一般來說，一個低RDS(ON) 值的MOSFET，具備大額定電流，就可以讓設計人員把電源中所用MOSFET的數目減至最少。

　　除了RDS(ON)之外，在MOSFET的選擇過程中還有幾個MOSFET參數也對電源設計人員非常重要。許多情況下，設計人員應該密切關注數據手冊上的安全工作區(SOA)曲線，該曲線同時描述了漏極電流和漏源電壓的關系。基本上，SOA定義了MOSFET能夠安全工作的電源電壓和電流。在ORing FET應用中，首要問題是：在完全導通狀態下FET的電流傳送能力。實際上無需SOA曲線也可以獲得漏極電流值。再以FDMS7650為例，該器件的額定電流為36A，故非常適用于服務器應用中所采用的典型DC-DC電源。

　　若設計是實現熱插拔功能，SOA曲線也許更能發揮作用。在這種情況下，MOSFET需要部分導通工作。SOA曲線定義了不同脈沖期間的電流和電壓限值。

　　注意剛剛提到的額定電流，這也是值得考慮的熱參數，因為始終導通的MOSFET很容易發熱。另外，日漸升高的結溫也會導致RDS(ON)的增加。MOSFET數據手冊規定了熱阻抗參數，其定義為MOSFET封裝的半導體結散熱能力。RθJC的最簡單的定義是結到管殼的熱阻抗。細言之，在實際測量中其代表從器件結(對于一個垂直MOSFET，即裸片的上表面附近)到封裝外表面的熱阻抗，在數據手冊中有描述。若采用PowerQFN封裝，管殼定義為這個大漏極片的中心。因此，RθJC 定義了裸片與封裝系統的熱效應。RθJA 定義了從裸片表面到周圍環境的熱阻抗，而且一般通過一個腳注來標明與PCB設計的關系，包括鍍銅的層數和厚度。

　　總而言之，RθJC在電源設計團隊的控制范圍以外，因為它是由所采用的器件封裝技術決定。先進的熱性能增強型封裝，比如飛兆半導體的Power 56，其RθJC 規格在1 和 2 oC/W之間，FDMS7650 的規格為 1.2 oC/W。設計團隊可以通過PCB設計來改變 RθJA 。最終，一個穩健的熱設計有助于提高系統可靠性， 延長系統平均無故障時間(MTBF)。

　　開關電源中的MOSFET

　　現在讓我們考慮開關電源應用，以及這種應用如何需要從一個不同的角度來審視數據手冊。從定義上而言，這種應用需要MOSFET定期導通和關斷。同時，有數十種拓撲可用于開關電源，這里考慮一個簡單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉換器依賴兩個MOSFET來執行開關功能(圖 2)，這些開關交替在電感里存儲能量，然后把能量釋放給負載。目前，設計人員常常選擇數百kHz乃至1 MHz以上的頻率，因為頻率越高，磁性元件可以更小更輕。

　　圖2：用于開關電源應用的MOSFET對。(DC-DC控制器)