直流穩(wěn)壓電源開關管選擇方法
2017-7-29 10:44:40??????點擊：
隨著制造技術的發(fā)展和進步，直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設計人員必須跟上技術的發(fā)展步伐，才能為其設計挑選最合適的電子直流穩(wěn)壓電源器件。直流穩(wěn)壓電源場效應管是直流穩(wěn)壓電源電氣系統(tǒng)中的基本部件，工程師需要深入了解它的關鍵特性及指標才能做出正確選擇。本文將討論如何根據(jù)RDS(ON)、熱性能、雪崩擊穿電壓及開關性能指標來選擇正確的直流穩(wěn)壓電源場效應管。
直流穩(wěn)壓電源場效應管的選擇
直流穩(wěn)壓電源場效應管有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)中，直流穩(wěn)壓電源場效應管可被看成電氣開關。當在N溝道直流穩(wěn)壓電源場效應管的柵極和源極間加上正電壓時，其開關導通。導通時，電流可經(jīng)開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內(nèi)阻，稱為導通電阻RDS(ON)。必須清楚直流穩(wěn)壓電源場效應管的柵極是個高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個電壓。如果柵極為懸空，直流穩(wěn)壓電源器件將不能按設計意圖工作，并可能在不恰當?shù)臅r刻導通或關閉，導致直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時，開關關閉，而電流停止通過直流穩(wěn)壓電源器件。雖然這時直流穩(wěn)壓電源器件已經(jīng)關閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即IDSS。
第一步：選用N溝道還是P溝道
為設計選擇正確直流穩(wěn)壓電源器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道直流穩(wěn)壓電源場效應管。在典型的功率應用中，當一個直流穩(wěn)壓電源場效應管接地，而負載連接到干線電壓上時，該直流穩(wěn)壓電源場效應管就構(gòu)成了低壓側(cè)開關。在低壓側(cè)開關中，應采用N溝道直流穩(wěn)壓電源場效應管，這是出于對關閉或?qū)ㄖ绷鞣€(wěn)壓電源器件所需電壓的考慮。當直流穩(wěn)壓電源場效應管連接到總線及負載接地時，就要用高壓側(cè)開關。通常會在這個拓撲中采用P溝道直流穩(wěn)壓電源場效應管，這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮。
要選擇適合應用的直流穩(wěn)壓電源器件，必須確定驅(qū)動直流穩(wěn)壓電源器件所需的電壓，以及在設計中最簡易執(zhí)行的方法。下一步是確定所需的直流穩(wěn)壓電源額定電壓，或者直流穩(wěn)壓電源器件所能承受的最大電壓。直流穩(wěn)壓電源額定電壓越大，直流穩(wěn)壓電源器件的成本就越高。根據(jù)實踐經(jīng)驗，直流穩(wěn)壓電源額定電壓應當大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護，使直流穩(wěn)壓電源場效應管不會失效。就選擇直流穩(wěn)壓電源場效應管而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS。知道直流穩(wěn)壓電源場效應管能承受的最大電壓會隨溫度而變化這點十分重要。設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。直流穩(wěn)壓電源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。設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關電子設備(如電機或變壓器)誘發(fā)的電壓瞬變。不同應用的直流穩(wěn)壓電源額定電壓也有所不同；通常，便攜式設備為20V、FPGA電源為20～30V、85～220VAC應用為450～600V。
第二步：確定直流穩(wěn)壓電源額定電流
第二步是選擇直流穩(wěn)壓電源場效應管的直流穩(wěn)壓電源額定電流。視電路結(jié)構(gòu)而定，該直流穩(wěn)壓電源額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設計人員必須確保所選的直流穩(wěn)壓電源場效應管能承受這個直流穩(wěn)壓電源額定電流，即使在直流穩(wěn)壓電源系統(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)導通模式下，直流穩(wěn)壓電源場效應管處于穩(wěn)態(tài)，此時電流連續(xù)通過直流穩(wěn)壓電源器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過直流穩(wěn)壓電源器件。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直流穩(wěn)壓電源器件便可。
選好直流穩(wěn)壓電源額定電流后，還必須計算導通損耗。在實際情況下，直流穩(wěn)壓電源場效應管并不是理想的直流穩(wěn)壓電源器件，因為在導電過程中會有電能損耗，這稱之為導通損耗。直流穩(wěn)壓電源場效應管在“導通”時就像一個可變電阻，由直流穩(wěn)壓電源器件的RDS(ON)所確定，并隨溫度而顯著變化。直流穩(wěn)壓電源器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算，由于導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對直流穩(wěn)壓電源場效應管施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會越??；反之RDS(ON)就會越高。對直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設計人員來說，這就是取決于直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)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(較為普遍)，而對于工業(yè)設計，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資料表中查到。
技術對直流穩(wěn)壓電源器件的特性有著重大影響，因為有些技術在提高最大VDS時往往會使RDS(ON)增大。對于這樣的技術，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，其中最主要的是溝道和電荷平衡技術。
在溝道技術中，晶片中嵌入了一個深溝，通常是為低電壓預留的，用于降低導通電阻RDS(ON)。為了減少最大VDS對RDS(ON)的影響，開發(fā)過程中采用了外延生長柱/蝕刻柱工藝。例如，飛兆半導體開發(fā)了稱為SuperFET的技術，針對RDS(ON)的降低而增加了額外的制造步驟。這種對RDS(ON)的關注十分重要，因為當標準MOSFET的擊穿電壓升高時，RDS(ON)會隨之呈指數(shù)級增加，并且導致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS(ON)與晶片尺寸間的指數(shù)關系變成了線性關系。這樣，SuperFET直流穩(wěn)壓電源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(xiàn)理想的低RDS(ON)。結(jié)果是晶片尺寸可減小達35%。而對于最終用戶來說，這意味著封裝尺寸的大幅減小。
第三步：確定熱要求
選擇直流穩(wěn)壓電源場效應管的下一步是計算直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結(jié)果，因為這個結(jié)果提供更大的安全余量，能確保直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)不會失效。在直流穩(wěn)壓電源場效應管的資料表上還有一些需要注意的測量數(shù)據(jù)；比如封裝直流穩(wěn)壓電源器件的半導體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。
直流穩(wěn)壓電源器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據(jù)這個方程可解出直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的最大功率耗散，即按定義相等于I2×RDS(ON)。由于設計人員已確定將要通過直流穩(wěn)壓電源器件的最大電流，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結(jié)/直流穩(wěn)壓電源器件外殼及外殼/環(huán)境的熱容量；即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫。
雪崩擊穿是指半導體直流穩(wěn)壓電源器件上的反向電壓超過最大值，并形成強電場使直流穩(wěn)壓電源器件內(nèi)電流增加。該電流將耗散功率，使直流穩(wěn)壓電源器件的溫度升高，而且有可能損壞直流穩(wěn)壓電源器件。半導體公司都會對直流穩(wěn)壓電源器件進行雪崩測試，計算其雪崩電壓，或?qū)χ绷鞣€(wěn)壓電源器件的穩(wěn)健性進行測試。計算額定雪崩電壓有兩種方法；一是統(tǒng)計法，另一是熱計算。而熱計算因為較為實用而得到廣泛采用。不少公司都有提供其直流穩(wěn)壓電源器件測試的詳情。除計算外，技術對雪崩效應也有很大影響。例如，晶片尺寸的增加會提高抗雪崩能力，最終提高直流穩(wěn)壓電源器件的穩(wěn)健性。對最終用戶而言，這意味著要在直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)中采用更大的封裝件。
第四步：決定開關性能
選擇直流穩(wěn)壓電源場效應管的最后一步是決定直流穩(wěn)壓電源場效應管的開關性能。影響開關性能的參數(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。這些電容會在直流穩(wěn)壓電源器件中產(chǎn)生開關損耗，因為在每次開關時都要對它們充電。直流穩(wěn)壓電源場效應管的開關速度因此被降低，直流穩(wěn)壓電源器件效率也下降。為計算開關過程中直流穩(wěn)壓電源器件的總損耗，設計人員必須計算開通過程中的損耗(Eon)和關閉過程中的損耗(Eoff)。直流穩(wěn)壓電源場效應管開關的總功率可用如下方程表達：Psw=(Eon+Eoff)×開關頻率。而柵極電荷(Qgd)對開關性能的影響最大。
基于開關性能的重要性，新的技術正在不斷開發(fā)以解決這個開關問題。芯片尺寸的增加會加大柵極電荷；而這會使直流穩(wěn)壓電源器件尺寸增大。為了減少開關損耗，新的技術如溝道厚底氧化已經(jīng)應運而生，旨在減少柵極電荷。舉例說，SuperFET這種新技術就可通過降低RDS(ON)和柵極電荷(Qg)，最大限度地減少傳導損耗和提高開關性能。這樣，直流穩(wěn)壓電源場效應管就能應對開關過程中的高速電壓瞬變(dv/dt)和電流瞬變(di/dt)，甚至可在更高的開關頻率下可靠地工作。
結(jié)論
通過了解直流穩(wěn)壓電源場效應管的類型及了解和決定它們的重要性能特點，設計人員就能針對特定設計選擇正確的直流穩(wěn)壓電源場效應管。由于直流穩(wěn)壓電源場效應管是直流穩(wěn)壓電源電氣系統(tǒng)中最基本的部件之一，選擇正確的直流穩(wěn)壓電源場效應管對整個設計是否成功起著關鍵的作用。
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