中心議題：

• 為具體應用恰當的選擇MOSFET的技巧

解決方案：

• 低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺寸降至最小
• 開關電源中的MOSFET需評估綜合品質因數等六大要素
• 馬達控製應用的MOSFET需全麵的考慮

鑒於MOSFET技術的成熟，為設計選擇一款MOSFET表麵上看是十分簡單的事情。雖然工程師都熟諳MOSFET數據手冊上的品質因數
，但為了選擇出合適的MOSFET，工(gong)程(cheng)師(shi)必(bi)需(xu)利(li)用(yong)自(zi)己(ji)的(de)專(zhuan)業(ye)知(zhi)識(shi)對(dui)各(ge)個(ge)具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)的(de)不(bu)同(tong)規(gui)格(ge)進(jin)行(xing)全(quan)麵(mian)仔(zai)細(xi)的(de)考(kao)慮(lv)。例(li)如(ru)


，對(dui)於(yu)服(fu)務(wu)器(qi)電(dian)源(yuan)中(zhong)的(de)負(fu)載(zai)開(kai)關(guan)這(zhe)類(lei)應(ying)用(yong)，由(you)於(yu) MOSFET基本上一直都是處於導通狀態
，故MOSFET的開關特性無關緊要，而導通阻抗(RDS(ON))卻可能是這種應用的關鍵品質因數。然而，仍然有一些應用，比如開關電源，把MOSFET用作有源開關，因此工程師必須評估其它的MOSFET性能參數。下麵讓我們考慮一些應用及其MOSFET規格參數的優先順序。

MOSFETzuichangjiandeyingyongkenengshidianyuanzhongdekaiguanyuanjian，ciwai，tamenduidianyuanshuchuyedayoubiyi。fuwuqihetongxinshebeidengyingyongyibandoupeizhiyouduogebingxingdianyuan
，yizhichiN+1 冗餘與持續工作 (圖 1)。gebingxingdianyuanpingjunfendanfuzai，quebaoxitongjishizaiyigedianyuanchuxianguzhangdeqingkuangxiarengrannenggoujixugongzuo。buguo
，zhezhongjiagouhaixuyaoyizhongfangfababingxingdianyuandeshuchulianjiezaiyiqi
，bingbaozhengmougedianyuandeguzhangbuhuiyingxiangdaoqitadedianyuan。zaimeigedianyuandeshuchuduan，youyigegonglvMOSFET可以讓眾電源分擔負載，同時各電源又彼此隔離 。起這種作用的MOSFET 被稱為"ORing"FET，因為它們本質上是以 "OR" 邏輯來連接多個電源的輸出。
                                  
                                         圖1：用於針對N+1冗餘拓撲的並行電源控製的MOSFET。

在ORing FET應用中，MOSFET的de作zuo用yong是shi開kai關guan器qi件jian
，但dan是shi由you於yu服fu務wu器qi類lei應ying用yong中zhong電dian源yuan不bu間jian斷duan工gong作zuo，這zhe個ge開kai關guan實shi際ji上shang始shi終zhong處chu於yu導dao通tong狀zhuang態tai。其qi開kai關guan功gong能neng隻zhi發fa揮hui在zai啟qi動dong和he關guan斷duan
，以yi及ji電dian源yuan出chu現xian故gu障zhang之zhi時shi 。

相比從事以開關為核心應用的設計人員
，ORing FET應用設計人員顯然必需關注MOSFET的不同特性。以服務器為例，在正常工作期間，MOSFET隻相當於一個導體。因此，ORing FET應用設計人員最關心的是最小傳導損耗。

低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺寸降至最小

一般而言，MOSFET 製造商采用RDS(ON) 參數來定義導通阻抗；對ORing FET應用來說
，RDS(ON) 也是最重要的器件特性。數據手冊定義RDS(ON) 與柵極 (或驅動) 電壓 VGS 以及流經開關的電流有關，但對於充分的柵極驅動，RDS(ON) 是一個相對靜態參數。例如，飛兆半導體 FDMS7650 的數據手冊規定，對於10V 的柵極驅動
，最大RDS(ON) 為0.99 mΩ。

若設計人員試圖開發尺寸最小、成本最低的電源，低導通阻抗更是加倍的重要。在電源設計中

，每個電源常常需要多個ORing MOSFET並行工作，需要多個器件來把電流傳送給負載。在許多情況下，設計人員必須並聯MOSFET，以有效降低RDS(ON)。

需謹記，在 DC 電路中，並聯電阻性負載的等效阻抗小於每個負載單獨的阻抗值。比如，兩個並聯的2Ω 電阻相當於一個1Ω的電阻 。因此

，一般來說
，一個低RDS(ON) 值的MOSFET，具備大額定電流，就可以讓設計人員把電源中所用MOSFET的數目減至最少。

除了RDS(ON)之外
，在MOSFET的選擇過程中還有幾個MOSFET參數也對電源設計人員非常重要。許多情況下，設計人員應該密切關注數據手冊上的安全工作區(SOA)曲線
，該曲線同時描述了漏極電流和漏源電壓的關係。基本上，SOA定義了MOSFET能夠安全工作的電源電壓和電流。在 ORing FET應用中，首要問題是：在"完全導通狀態"下FET的電流傳送能力。實際上無需SOA曲線也可以獲得漏極電流值。再以FDMS7650為例，該器件的額定電流為36A，故非常適用於服務器應用中所采用的典型DC-DC電源。

若設計是實現熱插拔功能

，SOA曲線也許更能發揮作用。在這種情況下
，MOSFET需要部分導通工作。SOA曲線定義了不同脈衝期間的電流和電壓限值。

注意剛剛提到的額定電流，這也是值得考慮的熱參數，因為始終導通的MOSFET很容易發熱。另外，日漸升高的結溫也會導致RDS(ON)的增加。 MOSFET數據手冊規定了熱阻抗參數，其定義為MOSFET封裝的半導體結散熱能力。RθJC的最簡單的定義是結到管殼的熱阻抗。細言之，在實際測量中其代表從器件結(對於一個垂直MOSFET
，即裸片的上表麵附近)到封裝外表麵的熱阻抗
，在數據手冊中有描述。若采用PowerQFN封裝，管殼定義為這個大漏極片的中心。因此，RθJC 定義了裸片與封裝係統的熱效應。RθJA 定義了從裸片表麵到周圍環境的熱阻抗
，而且一般通過一個腳注來標明與PCB設計的關係，包括鍍銅的層數和厚度。

總而言之，RθJC在電源設計團隊的控製範圍以外
，因為它是由所采用的器件封裝技術決定。先進的熱性能增強型封裝，比如飛兆半導體的Power 56，其RθJC 規格在1 和 2 oC/W之間
，FDMS7650 的規格為 1.2 oC/W。設計團隊可以通過PCB設計來改變 RθJA 。最終，一個穩健的熱設計有助於提高係統可靠性， 延長係統平均無故障時間(MTBF)。

開關電源中的MOSFET

現在讓我們考慮開關電源應用，以及這種應用如何需要從一個不同的角度來審視數據手冊。從定義上而言，這種應用需要MOSFET定期導通和關斷。同時
，有數十種拓撲可用於開關電源，這裏考慮一個簡單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉換器依賴兩個MOSFET來執行開關功能(圖 2)，這些開關交替在電感裏存儲能量，然後把能量釋放給負載。目前，設計人員常常選擇數百kHz乃至1 MHz以上的頻率
，因為頻率越高
，磁性元件可以更小更輕。[page]
                           
                                     圖2：用於開關電源應用的MOSFET對。（DC-DC控製器）

顯然
，電源設計相當複雜，而且也沒有一個簡單的公式可用於MOSFET的評估。但我們不妨考慮一些關鍵的參數

，以及這些參數為什麼至關重要。傳統上，許多電源設計人員都采用一個綜合品質因數(柵極電荷QG ×導通阻抗RDS(ON))來評估MOSFET或對之進行等級劃分。

柵極電荷和導通阻抗之所以重要


，是因為二者都對電源的效率有直接的影響。對效率有影響的損耗主要分為兩種形式--傳導損耗和開關損耗。

柵極電荷是產生開關損耗的主要原因。柵極電荷單位為納庫侖(nc)，是MOSFET柵極充電放電所需的能量。柵極電荷和導通阻抗RDS(ON) 在半導體設計和製造工藝中相互關聯
，一般來說，器件的柵極電荷值較低，其導通阻抗參數就稍高。

開關電源中第二重要的MOSFET參數包括輸出電容、閾值電壓
、柵極阻抗和雪崩能量。

某些特殊的拓撲也會改變不同MOSFET參數的相關品質，例如，可以把傳統的同步降壓轉換器與諧振轉換器做比較。諧振轉換器隻在VDS (漏源電壓)或ID (漏極電流)過零時才進行MOSFET開關，從而可把開關損耗降至最低。這些技術被成為軟開關或零電壓開關(ZVS)或零電流開關(ZCS)技術。由於開關損耗被最小化，RDS(ON) 在這類拓撲中顯得更加重要。

低輸出電容(COSS)值對這兩類轉換器都大有好處。諧振轉換器中的諧振電路主要由變壓器的漏電感與COSS決定。此外，在兩個MOSFET關斷的死區時間內

，諧振電路必須讓COSS完全放電。因此，諧振拓撲很看重較低的COSS。考慮圖3所示的飛兆半導體FDMS7650的COSS與VDS的關係圖。
                     
                                       圖3：FDMS7650的COSS與VDS的關係圖。

低輸出電容也有利於傳統的降壓轉換器(有時又稱為硬開關轉換器)，不(bu)過(guo)原(yuan)因(yin)不(bu)同(tong)。因(yin)為(wei)每(mei)個(ge)硬(ying)開(kai)關(guan)周(zhou)期(qi)存(cun)儲(chu)在(zai)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)中(zhong)的(de)能(neng)量(liang)會(hui)丟(diu)失(shi)，反(fan)之(zhi)在(zai)諧(xie)振(zhen)轉(zhuan)換(huan)器(qi)中(zhong)能(neng)量(liang)反(fan)複(fu)循(xun)環(huan)。因(yin)此(ci)，低(di)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)對(dui)於(yu)同(tong)步(bu)降(jiang)壓(ya)調(tiao)節(jie)器(qi)的(de)低(di)邊(bian)開(kai)關(guan)尤(you)其(qi)重(zhong)要(yao)。

馬達控製應用的MOSFET

馬達控製應用是功率MOSFET大(da)有(you)用(yong)武(wu)之(zhi)地(di)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)，這(zhe)時(shi)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)選(xuan)擇(ze)基(ji)準(zhun)可(ke)能(neng)又(you)與(yu)其(qi)它(ta)大(da)不(bu)相(xiang)同(tong)。不(bu)同(tong)於(yu)現(xian)代(dai)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)
，馬(ma)達(da)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)不(bu)在(zai)高(gao)頻(pin)下(xia)開(kai)關(guan)。典(dian)型(xing)的(de)半(ban)橋(qiao)式(shi)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)采(cai)用(yong)2個MOSFET (全橋式則采用4個)，但這兩個MOSFET的關斷時間(死區時間)相等。對於這類應用，反向恢複時間(trr) 非常重要。在控製電感式負載(比如馬達繞組)時
，控製電路把橋式電路中的MOSFET切換到關斷狀態，此時橋式電路中的另一個開關經由MOSFET中的體二極管臨時反向傳導電流。於是
，電流重新循環，繼續為馬達供電。當第一個MOSFET再次導通時
，另一個MOSFET二極管中存儲的電荷必須被移除，通過第一個MOSFET放電，而這是一種能量的損耗，故trr 越短
，這種損耗越小。

所以，若設計團隊需要在電源電路采用MOSFET，zaipingguguochengkaishizhiqian
，xuduishouzhongdeyingyongjinxingzaixiquanmiandekaolv。yinggenjuzijidexuqiuerfeizhizaoshangchuixudetedingguigelaiduigexiangcanshujinxingyouxianjihuafen。

補充：利用IC和封裝設計獲得最小的 RDS(ON) 規格

在MOSFET的選擇過程中，評估參數的設計人員一般通過仔細分析相關規格來了解自己到底需要什麼。但有時深入了解IC製造商如何提供工作特性是很有必要的。以RDS(ON)為例
，你也許通常期望該規格隻與器件的設計及半導體製造工藝有關。但實際上，封裝設計對導通阻抗RDS(ON) 的最小化有著巨大的影響。

封裝對RDS(ON)的作用巨大是因為該參數主要取決於傳導損耗
，而封裝無疑可以影響傳導損耗。考慮本文正文提及的飛兆半導體FDMS7650 和1mΩ導通阻抗。該器件能獲得較低RDS(ON) 值zhi
，大da約yue一yi半ban原yuan因yin可ke歸gui結jie於yu封feng裝zhuang設she計ji。其qi封feng裝zhuang采cai用yong一yi種zhong堅jian固gu的de銅tong夾jia技ji術shu取qu代dai常chang用yong的de鋁lv或huo金jin鍵jian合he引yin線xian來lai連lian接jie源yuan極ji和he引yin線xian框kuang架jia。這zhe種zhong方fang案an把ba封feng裝zhuang阻zu抗kang降jiang至zhi最zui小xiao，並bing降jiang低di了le源yuan極ji電dian感gan
，源yuan極ji電dian感gan是shi開kai關guan器qi件jian產chan生sheng振zhen鈴ling的de主zhu要yao原yuan因yin。