直流穩壓電源開關管選擇方法
2017-7-29 10:44:40??????點擊：
隨著制造技術的發展和進步，直流穩壓電源系統設計人員必須跟上技術的發展步伐，才能為其設計挑選最合適的電子直流穩壓電源器件。直流穩壓電源場效應管是直流穩壓電源電氣系統中的基本部件，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壓電源場效應管。
直流穩壓電源場效應管的選擇
直流穩壓電源場效應管有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率直流穩壓電源系統中，直流穩壓電源場效應管可被看成電氣開關。當在N溝道直流穩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，電流可經開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內阻，稱為導通電阻RDS(ON)。必須清楚直流穩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，直流穩壓電源器件將不能按設計意圖工作，并可能在不恰當的時刻導通或關閉，導致直流穩壓電源系統產生潛在的功率損耗。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壓電源器件。雖然這時直流穩壓電源器件已經關閉，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溝道直流穩壓電源場效應管。在典型的功率應用中，當一個直流穩壓電源場效應管接地，而負載連接到干線電壓上時，該直流穩壓電源場效應管就構成了低壓側開關。在低壓側開關中，應采用N溝道直流穩壓電源場效應管，這是出于對關閉或導通直流穩壓電源器件所需電壓的考慮。當直流穩壓電源場效應管連接到總線及負載接地時，就要用高壓側開關。通常會在這個拓撲中采用P溝道直流穩壓電源場效應管，這也是出于對電壓驅動的考慮。
要選擇適合應用的直流穩壓電源器件，必須確定驅動直流穩壓電源器件所需的電壓，以及在設計中最簡易執行的方法。下一步是確定所需的直流穩壓電源額定電壓，或者直流穩壓電源器件所能承受的最大電壓。直流穩壓電源額定電壓越大，直流穩壓電源器件的成本就越高。根據實踐經驗，直流穩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，使直流穩壓電源場效應管不會失效。就選擇直流穩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測試電壓的變化范圍。直流穩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)誘發的電壓瞬變。不同應用的直流穩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：確定直流穩壓電源額定電流
第二步是選擇直流穩壓電源場效應管的直流穩壓電源額定電流。視電路結構而定，該直流穩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壓電源場效應管能承受這個直流穩壓電源額定電流，即使在直流穩壓電源系統產生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續模式和脈沖尖峰。在連續導通模式下，直流穩壓電源場效應管處于穩態，此時電流連續通過直流穩壓電源器件。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壓電源器件便可。
選好直流穩壓電源額定電流后，還必須計算導通損耗。在實際情況下，直流穩壓電源場效應管并不是理想的直流穩壓電源器件，因為在導電過程中會有電能損耗，這稱之為導通損耗。直流穩壓電源場效應管在“導通”時就像一個可變電阻，由直流穩壓電源器件的RDS(ON)所確定，并隨溫度而顯著變化。直流穩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。對直流穩壓電源場效應管施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會越小；反之RDS(ON)就會越高。對直流穩壓電源系統設計人員來說，這就是取決于直流穩壓電源系統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變化可在制造商提供的技術資料表中查到。
技術對直流穩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成本。業界現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關系變成了線性關系。這樣，SuperFET直流穩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，實現理想的低RDS(ON)。結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
選擇直流穩壓電源場效應管的下一步是計算直流穩壓電源系統的散熱要求。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果，因為這個結果提供更大的安全余量，能確保直流穩壓電源系統不會失效。在直流穩壓電源場效應管的資料表上還有一些需要注意的測量數據；比如封裝直流穩壓電源器件的半導體結與環境之間的熱阻，以及最大的結溫。
直流穩壓電源器件的結溫等于最大環境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結溫=最大環境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據這個方程可解出直流穩壓電源系統的最大功率耗散，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/直流穩壓電源器件外殼及外殼/環境的熱容量；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壓電源器件內電流增加。該電流將耗散功率，使直流穩壓電源器件的溫度升高，而且有可能損壞直流穩壓電源器件。半導體公司都會對直流穩壓電源器件進行雪崩測試，計算其雪崩電壓，或對直流穩壓電源器件的穩健性進行測試。計算額定雪崩電壓有兩種方法；一是統計法，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，最終提高直流穩壓電源器件的穩健性。對最終用戶而言，這意味著要在直流穩壓電源系統中采用更大的封裝件。
第四步：決定開關性能
選擇直流穩壓電源場效應管的最后一步是決定直流穩壓電源場效應管的開關性能。影響開關性能的參數有很多，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壓電源器件中產生開關損耗，因為在每次開關時都要對它們充電。直流穩壓電源場效應管的開關速度因此被降低，直流穩壓電源器件效率也下降。為計算開關過程中直流穩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。
結論
通過了解直流穩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壓電源場效應管。由于直流穩壓電源場效應管是直流穩壓電源電氣系統中最基本的部件之一，選擇正確的直流穩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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