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選擇正確的MOSFET
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MOSFET是電氣系統一些最基本的元件，但隨著製造技術的發展和進步，系統設計人員必需跟上技術的發展步伐，才能為其設計挑選最合適的產品。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MOSFET。
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在產品開發環節，許多設計工程師都是設計系統主要功能的專家。然而，由於缺乏資源和時間，他們中許多還得在板卡上開發外設子系統。這類子系統可能包括功率 結構和拓墣。許多工程師可能缺少構建功率結構方面的經驗，因而需要協助。所以，對他們來說瞭解如何為其設計選擇正確的MOSFET就非常重要。- J! u( y! u2 j+ M
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MOSFET選擇
MOSFET有兩大類型：N通道和P通道。在功率系統中，MOSFET可被看成電氣開關。當在N通道MOSFET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MOSFET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，元件將不能按設計意圖工作，並可能在不恰當的時刻導通或關閉，導致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，而電流停止通過元件。雖然這時元件已經關閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即IDSS。2 p, V& }# e; s% k# K
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第一步步：選用N通道還是P通道
為設計選擇正確元件的第一步是決定採用N通道還是P通道MOSFET。在典型的功率應用中，當一個MOSFET接地，而負載連接到幹線電壓上時，該 MOSFET就構成了低壓側開關。在低壓側開關中，應採用N通道MOSFET，這是出於對關閉或導通元件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到匯流排及負 載接地時，就要用高壓側開關。通常會在這個拓墣中採用P通道MOSFET，而此也是出於對電壓驅動的考慮。2 D- u0 a# Y% ^  u, Z

要選擇適合應用的元件，必需確定驅動元件所需的電壓，以及在設計中最簡易執行的方法。下一步是確定所需的額定電壓，或者元件所能承受的最大電壓。額定電壓 越大，元件的成本就越高。根據實踐經驗，額定電壓應當大於幹線電壓或匯流排電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOSFET不會失效。就選擇MOSFET而 言，必需確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大電壓會隨溫度而變化這點十分重要。設計人員必需在整個工作溫度 範圍內測試電壓的變化範圍。額定電壓必須有足夠的餘量覆蓋這個變化範圍，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。不同應用的額定電壓也有所不同；通常，可攜式設備為20V、FPGA電源為20-30V、85VAC-220VAC應用為 450V-600V。6 u' n# }$ m* R
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第二步：確定額定電流  E1 r: k4 x( a2 |' Y2 c1 h# X/ U( T
第二步是選擇MOSFET的額定電流。視乎電路結構而定，該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，設計人員必需確保所選的 MOSFET能承受這個額定電流，即使在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衝尖峰。在連續導通模式下，MOSFET處於穩態，此時電 流連續通過元件。脈衝尖峰是指有大量電湧（或尖峰電流）流過元件。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元件便可。
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選好額定電流後，還必須計算導通損耗。在實際情況下，MOSFET並不是理想的元件，因為在導電過程中會有電能損耗；這稱之為導通損耗。MOSFET在 「導通」時像一個可變電阻，由元件的RDS（ON）所確定，並隨溫度而顯著變化。元件的功率耗損可由Iload2×RDS（ON）計算，由於導通電阻隨溫 度變化，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS（ON）就會越小；反之RDS（ON）就會越高。對系統設計人員來 說，這就是取決於系統電壓而需要折衷權衡的地方。對可攜式設計來說，採用較低的電壓比較容易（較為普遍），而對於工業設計，可採用較高的電壓。注意 RDS（ON）電阻會隨著電流輕微上升。關於RDS（ON）電阻的各種電氣參數變化可在製造商提供的技術資料表中查到。& i6 v4 V% l0 U, N$ U3 ^& X
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技術對元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。對於這樣的技術，如果打算降低VDS和RDS（ON），那麼 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，其中最主要的是通道和電荷平衡技術。

在通道技術中，晶片中嵌入了一個深溝，通常是為低電壓預留的，用於降低導通電阻RDS（ON）。為了減少最大VDS對RDS（ON）的影響，開發過程中採 用了外延生長柱╱蝕刻柱製程。例如，快捷半導體開發了稱為SuperFET的技術，針對RDS（ON）的降低而增加了額外的製造步驟。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，並且導致晶片尺寸增大。SuperFET製 程將RDS（ON）與晶片尺寸間的指數關係變成了線性關係。這樣，SuperFET元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％。而對於最終用戶來說，這意味著封裝尺寸的大幅減小。
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第三步：確定熱要求
選擇MOSFET的下一步是計算系統的散熱要求。設計人員必需考慮兩種不同的情況：即最壞情況和真實情況。建議採用針對最壞情況的計算結果，因為這個結果 提供更大的安全餘量，能確保系統不會失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量資料；比如封裝元件的半導體結與環境之間的熱阻，以及最大的結 溫。

元件的結溫等於最大環境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積，其公式如下：' [: ?6 `9 q2 B  B& w3 x; V# T9 `


•        《公式一》　
•        結溫=最大環境溫度+（熱阻×功率耗散）

根據這個方程可解出系統的最大功率耗散，即按定義相等於I2×RDS（ON）。由於設計人員已確定將要通過元件的最大電流，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，設計人員還必需考慮半導體結╱元件外殼及外殼╱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元件上的反向電壓超過最大值，並形成強電場使元件內電流增加。該電流將耗散功率，使元件的溫度升高，而且有可能損壞元件。半導體公司都 會對元件進行雪崩測試，計算其雪崩電壓，或對元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 廣泛採用。不少公司都有提供其元件測試的詳情[1]。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，最終並提高元件的穩 健性。對最終使用者而言，這意味著要在系統中採用更大的封裝件。/ N' s- E+ Y$ \/ _
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第四步：決定開關性能- k; D7 s2 ^: \" o: W+ {; K9 \# j
選擇MOSFET的最後一步是決定MOSFET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 在元件中產生開關損耗，因為在每次開關時都要對它們充電。MOSFET的開關速度因此被降低，元件效率也下降。為計算開關過程中元件的總損耗，設計人員必 需計算開通過程中的損耗（Eon）和關閉過程中的損耗（Eoff）。MOSFET開關的總功率可用如下方程表達：$ w2 c# `. l/ ]8 C) a5 s3 X


•        《公式二》
•        Psw=（Eon+Eoff）×開關頻率。而柵極電荷（Qgd）對開關性能的影響最大。# W! F% @% l# r) l  t
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基於開關性能的重要性，新的技術正在不斷開發以解決這個開關問題。晶片尺寸的增加會加大柵極電荷；而這會使元件尺寸增大。為了減少開關損耗，新的技術如通 道厚底氧化經已應運而生，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，MOSFET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。