
在电子电路设计领域,无论是开关电源电路还是其他类型的电路,MOS管的应用都极为广泛。对于硬件工程师而言,正确选择MOS管是一项关键技能,其重要性不言而喻。MOS管的选择不仅关乎电路的性能表现,还直接影响到整个电路系统的效率与成本控制。深入理解不同类型MOS管的细微差异以及它们在各种开关电路中的应用特性,能够有效避免诸多潜在问题,为电路的稳定运行提供坚实保障。以下是关于MOS管选择的几点专业建议:
一、N沟道与P沟道的选择
在确定MOS管类型时,首要考虑的是选择N沟道还是P沟道MOS管。在典型的功率应用环境中,若MOS管的一端接地,而负载连接到干线电压上,此时MOS管作为低压侧开关存在,出于对关闭或导通器件所需电压的考量,应选用N沟道MOS管。相反,当MOS管连接到总线且负载接地时,构成高压侧开关,通常会采用P沟道MOS管,这一选择同样是基于电压驱动的合理性考虑。
二、额定电压的确定
准确确定MOS管所需的额定电压,即器件所能承受的最大电压,是选择过程中的关键环节。一般来说,额定电压越高,器件的成本也相应增加。根据实际经验,所选MOS管的额定电压应当大于干线电压或总线电压,以确保在正常工作条件下,MOS管不会因过压而失效,为电路提供足够的保护。在选择时,必须精准确定漏极至源极间可能承受的最大电压,即最大VDS。同时,需注意到MOS管能承受的最大电压会随温度的变化而发生改变,因此,有必要在整个工作温度范围内对电压的变化范围进行测试。额定电压必须具备足够的余量,以覆盖这一变化范围,确保电路在不同温度条件下的稳定性。此外,由开关电子设备(如电机或变压器)诱发的电压瞬变也是需要考虑的安全因素之一。不同应用场景下的额定电压有所差异,例如,便携式设备通常为20V,FPGA电源为20~30V,而85~220VAC应用则为450~600V。
三、额定电流的考量
MOS管的额定电流应满足负载在所有情况下能够承受的最大电流需求。与电压的选择类似,必须确保所选MOS管能够承受这一额定电流,即使在系统出现尖峰电流的极端情况下。在考虑电流情况时,需要重点关注连续模式和脉冲尖峰两种情形。在连续导通模式下,MOS管处于稳态,电流持续通过器件;而脉冲尖峰则指的是有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦明确了这两种条件下最大电流,便可以直接选择能够承受该最大电流的MOS管器件。
四、导通损耗的计算
在实际应用中,MOS管并非理想的器件,在导电过程中会产生电能损耗,即导通损耗。当MOS管处于“导通”状态时,其表现类似于一个可变电阻,该电阻由器件的RDS(ON)(导通电阻)所确定,并且会随温度的变化而显著改变。器件的功率损耗可通过公式Iload²×RDS(ON)进行计算,由于导通电阻随温度变化,因此功率损耗也会随之按相同比例变化。对MOS管施加的电压VGS越高,RDS(ON)就会越小;反之,RDS(ON)就会越大。同时,需注意RDS(ON)电阻会随着电流的增大而轻微上升。关于RDS(ON)电阻在不同电气参数下的变化情况,可在制造商提供的技术资料表中查询到。
五、系统的散热要求
在考虑MOS管的散热问题时,需要关注两种不同的情况,即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果,因为这样可以提供更大的安全余量,确保系统在极端条件下的稳定性,不会因过热而失效。在MOS管的资料表上,有一些重要的测量数据需要注意。例如,器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积,即结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散]。根据这一公式,可以解出系统的最大功率耗散,其按定义相等于I²×RDS(ON)。已知将要通过器件的最大电流,便可以计算出不同温度下的RDS(ON)。此外,做好电路板及其MOS管的散热设计也至关重要。雪崩击穿是指半导体器件上的反向电压超过最大值,形成强电场使器件内电流增加的现象。晶片尺寸的增加会提升抗雪崩能力,从而增强器件的稳健性。因此,选择更大的封装件可以有效防止雪崩击穿,提高MOS管的可靠性。
六、开关性能的决定因素
MOS管的开关性能受到多种参数的影响,其中最重要的是栅极/漏极、栅极/源极及漏极/源极电容。这些电容在器件开关过程中会产生开关损耗,因为在每次开关时都需要对它们进行充电。这会导致MOS管的开关速度降低,进而影响器件的效率。为了计算开关过程中器件的总损耗,需要分别计算开通过程中的损耗(Eon)和关闭过程中的损耗(Eoff)。MOSFET开关的总功率可用如下方程表达:Psw=(Eon+Eoff)×开关频率。其中,栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最为显著。
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