选择MOSFET的技巧

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鉴于　ＭＯＳＦＥＴ　技术的成熟，为设计选择一款　ＭＯＳＦＥＴ　表面上看是十分简单的事情

。虽然　工程师都熟谙　ＭＯＳＦＥＴ　数据手册上的品质因数，但为了选择出合适的　ＭＯＳＦＥＴ

，工程师　必需利用自己的专业知识对各个具体应用的不同规格进行全面仔细的考虑。

　例如，　对于服务　器电源中的负载开关这类应用，　由于　ＭＯＳＦＥＴ　基本上一直都是处

于导通状态，　ＭＯＳＦＥＴ　故　的开关特性无关紧要，而导通阻抗（ＲＤＳ（ＯＮ））却可能是这种

应用的关键品质因数。然而，仍　然有一些应用，比如开关电源，把　ＭＯＳＦＥＴ　用作有源

开关，因此工程师必须评估其它的　ＭＯＳＦＥＴ　性能参数。下面让我们考虑一些应用及其

　ＭＯＳＦＥＴ　规格参数的优先顺序。　ＭＯＳＦＥＴ　最常见的应用可能是电源中的开关元件，此

外，它们对电源输出也大有裨益。服　务器和通信设备等应用一般都配置有多个并行电

源，以支持　Ｎ＋１　冗余与持续工作　（图　１）。　各并行电源平均分担负载，确保系统即使

在一个电源出现故障的情况下仍然能够继续工作。　不过，　这种架构还需要一种方法

把并行电源的输出连接在一起，　并保证某个电源的故障不会　影响到其它的电源。在

每个电源的输出端，有一个功率　ＭＯＳＦＥＴ　可以让众电源分担负载，　同时各电源又彼此

隔离　。起这种作用的　ＭＯＳＦＥＴ　被称为＂ＯＲｉｎｇ＂ＦＥＴ，因为它们本质上是　以　＂ＯＲ＂　逻辑

来连接多个电源的输出。

图　１：用于针对　Ｎ＋１　冗余拓扑的并行电源控制的　ＭＯＳＦＥＴ。

在　ＯＲｉｎｇ　ＦＥＴ　应用中，ＭＯＳＦＥＴ　的作用是开关器件，但是由于服务器类应用中电

源不间断　工作，这个开关实际上始终处于导通状态。其开关功能只发挥在启动和关断

，以及电源出现　故障之时　。　相比从事以开关为核心应用的设计人员，ＯＲｉｎｇ　ＦＥＴ　应

用设计人员显然必需关注　ＭＯＳＦＥＴ　的不同特性。以服务器为例，在正常工作期间，ＭＯ

ＳＦＥＴ　只相当于一个导体。因此，ＯＲｉｎｇ　ＦＥＴ　应用设计人员最关心的是最小传导损耗。

　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（Ｏ

Ｎ）　参数来定义导通阻抗；对　ＯＲｉｎｇ　ＦＥＴ　应用来　说，ＲＤＳ（ＯＮ）　也是最重要的器件特性

。数据手册定义　ＲＤＳ（ＯＮ）　与栅极　（或驱动）　电压　ＶＧＳ　以及流经开关的电流有关，但

对于充分的栅极驱动，ＲＤＳ（ＯＮ）　是一个相对静态参数。

例如，　飞兆半导体　ＦＤＭＳ７６５０　的数据手册规定，　对于　１０Ｖ　的栅极驱动，　最大

　ＲＤＳ（ＯＮ）　为　０．９９　ｍ　。　若设计人员试图开发尺寸最小、成本最低的电源，低导通阻

抗更是加倍的重要。在电源设计　中，　每个电源常常需要多个　ＯＲｉｎｇ　ＭＯＳＦＥＴ　并行工

作，　需要多个器件来把电流传送给负载。　在许多情况下，设计人员必须并联　ＭＯＳＦＥ

Ｔ，以有效降低　ＲＤＳ（ＯＮ）。　需谨记，在　ＤＣ　电路中，并联电阻性负载的等效阻抗小于

每个负载单独的阻抗值。比如，　两个并联的　２　电阻相当于一个　１　的电阻　。因此，

一般来说，一个低　ＲＤＳ（ＯＮ）　值的　ＭＯＳＦＥＴ，具备大额定电流，就可以让设计人员把电

源中所用　ＭＯＳＦＥＴ　的数目减至最少。　除了　ＲＤＳ（ＯＮ）之外，　ＭＯＳＦＥＴ　的选择过程中还有

几个　ＭＯＳＦＥＴ　参数也对电源设计人员　在　非常重要。许多情况下，设计人员应该密切

关注数据手册上的安全工作区（ＳＯＡ）曲线，该曲　线同时描述了漏极电流和漏源电压的

关系。　基本上，　ＳＯＡ　定义了　ＭＯＳＦＥＴ　能够安全工作的　电源电压和电流。在　ＯＲｉｎｇ　

ＦＥＴ　应用中，首要问题是：在＂完全导通状态＂下　ＦＥＴ　的电流传　送能力。实际上无需

　ＳＯＡ　曲线也可以获得漏极电流值。再以　ＦＤＭＳ７６５０　为例，该器件的　额定电流为　３６Ａ

，故非常适用于服务器应用中所采用的典型　ＤＣ－ＤＣ　电源。　若设计是实现热插拔功能

，ＳＯＡ　曲线也许更能发挥作用。在这种情况下，ＭＯＳＦＥＴ　需要部　分导通工作。ＳＯＡ　曲

线定义了不同脉冲期间的电流和电压限值。　注意刚刚提到的额定电流，这也是值得考

虑的热参数，因为始终导通的　ＭＯＳＦＥＴ　很容易发　热。另外，日渐升高的结温也会导致

　ＲＤＳ（ＯＮ）的增加。ＭＯＳＦＥＴ　数据手册规定了热阻抗参　数，其定义为　ＭＯＳＦＥＴ　封装的半

导体结散热能力。ＲθＪＣ　的最简单的定义是结到管壳的热　阻抗。细言之，在实际测量

中其代表从器件结（对于一个垂直　ＭＯＳＦＥＴ，即裸片的上表面附　近）到封装外表面的热

阻抗，在数据手册中有描述。若采用　ＰｏｗｅｒＱＦＮ　封装，管壳定义为这　个大漏极片的中

心。因此，ＲθＪＣ　定义了裸片与封装系统的热效应。ＲθＪＡ　定义了从裸片表　面到周围

环境的热阻抗，而且一般通过一个脚注来标明与　ＰＣＢ　设计的关系，包括镀铜的层　数

和厚度。　总而言之，　ＲθＪＣ　在电源设计团队的控制范围以外，　因为它是由所采用的

ｐａｇｅ　１器件封装技术决定。　先进的热性能增强型封装，　比如飞兆半导体的　Ｐｏｗｅｒ　５６，　Ｒθ

ＪＣ　规格在　１　和　２　ｏＣ／Ｗ　之　其　间，ＦＤＭＳ７６５０　的规格为　１．２　ｏＣ／Ｗ。设计团队可以通

过　ＰＣＢ　设计来改变　ＲθＪＡ　。最终，　一个稳健的热设计有助于提高系统可靠性，　延

长系统平均无故障时间（ＭＴＢＦ）。　开关电源中的　ＭＯＳＦＥＴ　现在让我们考虑开关电源应用

，以及这种应用如何需要从一个不同的角度来审视数据手册。　从定义上而言，这种应

用需要　ＭＯＳＦＥＴ　定期导通和关断。同时，有数十种拓扑可用于开关　电源，这里考虑一

个简单的例子。ＤＣ－ＤＣ　电源中常用的基本降压转换器依赖两个　ＭＯＳＦＥＴ　来执行开关功

能（图　２），这些开关交替在电感里存储能量，然后把能量释放给负载。目前，　设计人

员常常选择数百　ｋＨｚ　乃至　１　ＭＨｚ　以上的频率，因为频率越高，磁性元件可以更小更

　轻。

图　２：用于开关电源应用的　ＭＯＳＦＥＴ　对。（ＤＣ－ＤＣ　控制器）

显然，电源设计相当复杂，而且也没有一个简单的公式可用于　ＭＯＳＦＥＴ　的评估。

但我们不　妨考虑一些关键的参数，以及这些参数为什么至关重要。传统上，许多电源

设计人员都采用　一个综合品质因数（栅极电荷　ＱＧ　×导通阻抗　ＲＤＳ（ＯＮ））来评估　ＭＯＳＦ

ＥＴ　或对之进行等级划　分。　栅极电荷和导通阻抗之所以重要，　是因为二者都对电源

的效率有直接的影响。　对效率有影响　的损耗主要分为两种形式－－传导损耗和开关损

耗。　栅极电荷是产生开关损耗的主要原因。栅极电荷单位为纳库仑（ｎｃ），是　ＭＯＳＦＥＴ

　栅极充电　放电所需的能量。　栅极电荷和导通阻抗　ＲＤＳ（ＯＮ）　在半导体设计和制造工

艺中相互关联，　一　般来说，器件的栅极电荷值较低，其导通阻抗参数就稍高。　开关

电源中第二重要的　ＭＯＳＦＥＴ　参数包括输出电容、阈值电压、栅极阻抗和雪崩能量。　某

些特殊的拓扑也会改变不同　ＭＯＳＦＥＴ　参数的相关品质，例如，可以把传统的同步降压

转　换器与谐振转换器做比较。谐振转换器只在　ＶＤＳ　（漏源电压）或　ＩＤ　（漏极电流）过

零时才进行　ＭＯＳＦＥＴ　开关，从而可把开关损耗降至最低。这些技术被成为软开关或零

电压开关（ＺＶＳ）　或零电流开关（ＺＣＳ）技术。　由于开关损耗被最小化，ＲＤＳ（ＯＮ）　在这类

拓扑中显得更加重要。　低输出电容（ＣＯＳＳ）值对这两类转换器都大有好处。谐振转换器

中的谐振电路主要由变压器　的漏电感与　ＣＯＳＳ　决定。　此外，　在两个　ＭＯＳＦＥＴ　关断的

死区时间内，　谐振电路必须让　ＣＯＳＳ　完全放电。因此，谐振拓扑很看重较低的　ＣＯＳＳ

。考虑图　３　所示的飞兆半导体　ＦＤＭＳ７６５０　的　ＣＯＳＳ　与　ＶＤＳ　的关系图。

图　３：ＦＤＭＳ７６５０　的　ＣＯＳＳ　与　ＶＤＳ　的关系图。

低输出电容也有利于传统的降压转换器（有时又称为硬开关转换器），不过原因不

同。因为每　个硬开关周期存储在输出电容中的能量会丢失，反之在谐振转换器中能量

反复循环。因此，　低输出电容对于同步降压调节器的低边开关尤其重要。　马达控制

应用的　ＭＯＳＦＥＴ　马达控制应用是功率　ＭＯＳＦＥＴ　大有用武之地的另一个应用领域，这时

最重要的选择基准可　能又与其它大不相同。不同于现代开关电源，马达控制电路不在

高频下开关。典型的半桥式　控制电路采用　２　个　ＭＯＳＦＥＴ　（全桥式则采用　４　个），但这

两个　ＭＯＳＦＥＴ　的关断时间（死区时　间）相等。对于这类应用，反向恢复时间（ｔｒｒ）　非常

重要。在控制电感式负载（比如马达绕组）　时，控制电路把桥式电路中的　ＭＯＳＦＥＴ　切换

到关断状态，此时桥式电路中的另一个开关经　由　ＭＯＳＦＥＴ　中的体二极管临时反向传导

电流。于是，电流重新循环，继续为马达供电。当　第一个　ＭＯＳＦＥＴ　再次导通时，另一

个　ＭＯＳＦＥＴ　二极管中存储的电荷必须被移除，通过第　一个　ＭＯＳＦＥＴ　放电，而这是一种

能量的损耗，故　ｔｒｒ　越短，这种损耗越小。　所以，若设计团队需要在电源电路采用

　ＭＯＳＦＥＴ，在评估过程开始之前，需对手中的应用　进行仔细全面的考虑。　应根据自己

的需求而非制造商吹嘘的特定规格来对各项参数进行优先　级划分。

补充：利用　ＩＣ　和封装设计获得最小的　ＲＤＳ（ＯＮ）　规格

在　ＭＯＳＦＥＴ　的选择过程中，评估参数的设计人员一般通过仔细分析相关规格来了

解自己到　底需要什么。　但有时深入了解　ＩＣ　制造商如何提供工作特性是很有必要的

。　ＲＤＳ（ＯＮ）为例，　以　你也许通常期望该规格只与器件的设计及半导体制造工艺有关

。　但实际上，　封装设计对导通　阻抗　ＲＤＳ（ＯＮ）　的最小化有着巨大的影响。　封装对　

ＲＤＳ（ＯＮ）的作用巨大是因为该参数主要取决于传导损耗，而封装无疑可以影响传导　损

耗。考虑本文正文提及的飞兆半导体　ＦＤＭＳ７６５０　和　１ｍ　导通阻抗。该器件能获得较低

ＲＤＳ（ＯＮ）　值，大约一半原因可归结于封装设计。其封装采用一种坚固的铜夹技术

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