【技術(shù)帖】一文帶你認(rèn)識(shí)MOSFET

相信電子相關(guān)專業(yè)出身的人對(duì)MOSFET肯定很熟悉，它是集成電路的基本元器件，和其它無(wú)源及有源器件共同組成現(xiàn)在的大規(guī)模集成電路，單個(gè)MOSFET亦或者多個(gè)MOSFET組合使用都可以在相關(guān)電路中發(fā)揮不同的作用。今天，小為由簡(jiǎn)入繁，僅從功率NMOS入手，為大家介紹其在應(yīng)用時(shí)主要關(guān)注的參數(shù)、相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景及相關(guān)的艾為產(chǎn)品線。

對(duì)于功率MOSFET器件本身來(lái)講，靜態(tài)參數(shù)中耐壓值VDSS、開(kāi)啟電壓值VGS(th)、連續(xù)漏極電流ID和脈沖電流IDM及導(dǎo)通阻抗RDS(on)是最重要的；不同的應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)輸入電容Ciss、反向傳輸電容Crss和輸出電容Coss等動(dòng)態(tài)參數(shù)和包括Qg在內(nèi)的開(kāi)關(guān)參數(shù)均有要求。

☆極限耐壓V_DSS

VDSS一般給出的是25℃以下的最小值，含義是在25℃條件下，DS兩端的最大電壓值不超過(guò)這個(gè)值，才是安全的工作狀態(tài)，一旦超過(guò)該值可能對(duì)芯片造成損壞。

GS短接，DS之間加電壓記錄電流，電流值達(dá)到250μA時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值就認(rèn)為是極限耐壓值，和二極管的反向特性曲線比較類似。

VDSS是正溫度系數(shù)的參數(shù)，隨著溫度的降低該值逐漸減小，在-40℃的低溫條件下，芯片的耐壓值相對(duì)標(biāo)稱值就已經(jīng)偏小了。實(shí)際的VDSS相對(duì)于標(biāo)稱值會(huì)存在30%左右的裕量。

☆開(kāi)啟電壓V_GS(th)

使MOSFET溝道打開(kāi)的GS兩端電壓差即為VGS(th)。溝道開(kāi)啟不需要構(gòu)成完整的回路，GS兩端壓差達(dá)到VGS(th)就形成了導(dǎo)電溝道，GS兩端連接電源，通常將S端接地，上電后電源給兩個(gè)端口間的等效寄生電容Cgs充電，直到GS兩端的電壓能夠使溝道開(kāi)啟，MOSFET開(kāi)通后輸入端的電流在nA級(jí)別。

此外，還需要說(shuō)明的是，VGS(th)具有負(fù)溫度系數(shù)特性。對(duì)于低壓MOSFET來(lái)講，需要注意在高溫下誤開(kāi)啟對(duì)電路造成的影響。

☆連續(xù)漏極電流ID和脈沖漏極電流IDM

在介紹RDS(on)之前需要說(shuō)明一下電流ID的定義，其是指芯片在最大額定結(jié)溫(一般為150℃)下，管表面溫度為25℃或更高溫度下，可允許通過(guò)的最大連續(xù)直流電流。

ID與RDS(on)的關(guān)系如下圖所示，其中RθJC表示結(jié)到封裝外殼的穩(wěn)態(tài)熱阻，功率損失的結(jié)果是使器件自身產(chǎn)生熱量，熱阻就是要將芯片產(chǎn)生的熱量和功耗聯(lián)系起來(lái)。最大額定結(jié)溫限制芯片消耗的最大功率與芯片實(shí)際消耗的功率近似相等，從而得到ID的計(jì)算值，實(shí)際ID與具體的封裝有關(guān)。

IDM表示的是芯片對(duì)脈沖電流的處理能力，應(yīng)用時(shí)當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路，關(guān)注管子可以承受的瞬態(tài)電流峰值及關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間。

為何需要定義該參數(shù)呢？

如果MOSFET穩(wěn)定工作在可變電阻區(qū)，ID的增大會(huì)提高VDS的值，由此增大導(dǎo)通損耗，長(zhǎng)時(shí)間高功率工作時(shí)，將導(dǎo)致器件失效。某一確定的VGS下對(duì)應(yīng)恒流區(qū)的漏極電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的最大工作電流，MOSFET開(kāi)通先經(jīng)過(guò)米勒平臺(tái)區(qū)再進(jìn)入可變電阻區(qū)，米勒平臺(tái)區(qū)對(duì)應(yīng)的VGS值與系統(tǒng)的最大工作電流需要滿足輸出或轉(zhuǎn)移特性曲線。換句話說(shuō)，輸出或轉(zhuǎn)移特性曲線限制著流過(guò)管子的最大電流值。

☆導(dǎo)通阻抗R_DS(on)

RDS(on)是在特定的ID和VGS下測(cè)得的DS之間的電阻值。MOSFET工作在穩(wěn)定的導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，RDS(on)具有正溫度系數(shù)的特性，溫度升高、阻值增大，相同電壓下電流減小，因此并聯(lián)使用時(shí)可以自動(dòng)均流實(shí)現(xiàn)平衡。

RDS(on)與導(dǎo)通損耗直接相關(guān)，在低壓大電流應(yīng)用場(chǎng)景下通常選擇RDS(on)較小的MOSFET，而高壓小電流則允許RDS(on)稍大。

MOSFET的動(dòng)態(tài)參數(shù)、開(kāi)關(guān)參數(shù)及雪崩相關(guān)參數(shù)需要搭配具體的外部電路得到相應(yīng)的數(shù)值，在具體的應(yīng)用場(chǎng)景中需要加以考慮。比如作為開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)，一般需要MOSFET的響應(yīng)速度較快，從而減小開(kāi)關(guān)損耗。

小為在這對(duì)參數(shù)的定義就不展開(kāi)敘述了，大家可以根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景選擇對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

首先根據(jù)只含有寄生電容的等效模型來(lái)介紹開(kāi)通過(guò)程。

驅(qū)動(dòng)電流給C_gs充電，C_gd上極板為正，下極板為負(fù)，t₁時(shí)刻的V_GS即為V_GS(th)；

驅(qū)動(dòng)電流給C_gs繼續(xù)充電，V_GS繼續(xù)增大，I_D值也隨之增大，V_DS有所下降，在t₂時(shí)刻到達(dá)米勒平臺(tái)；

V_GS增大使C_gd下極板電勢(shì)逐漸高于上極板電勢(shì)，從而驅(qū)動(dòng)電流開(kāi)始給C_gd反向充電，V_GS保持不變，V_DS值逐漸下降，完全中和后，驅(qū)動(dòng)電流繼續(xù)給C_gd充電。剛剛開(kāi)始進(jìn)入米勒平臺(tái)區(qū)的C_gd較小，V_DS下降較快；之后C_gd變大對(duì)應(yīng)V_DS下降較慢。

MOSFET處于飽和導(dǎo)通的狀態(tài)，可等效為電阻。因此，MOSFET開(kāi)通時(shí)經(jīng)過(guò)恒流區(qū)進(jìn)入可變電阻區(qū)，作為開(kāi)關(guān)來(lái)用時(shí)，盡量縮短在米勒平臺(tái)區(qū)的時(shí)間，從而減小開(kāi)關(guān)損耗。

考慮到實(shí)際的應(yīng)用，將電感和二極管作為漏極的負(fù)載，并將電感等效為恒流源。

ID值逐漸增大但仍未達(dá)到電感電流值I_L，二極管正向?qū)◤亩鳧端電壓被鉗位，導(dǎo)電溝道仍處于夾斷狀態(tài)；

☆鋰電池的充放電保護(hù)

鋰電池與輸出負(fù)載之間通過(guò)串聯(lián)功率MOSFET，并使用IC控制其開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)充放電保護(hù)。充放電各需要1顆MOSFET，通常是在電池的低端背靠背共漏極串聯(lián)使用，若PCB面積小對(duì)器件的尺寸要求嚴(yán)格，可將2顆功率MOSFET集成在一起形成Dual-NMOS；在較大充放電電流下（4A、5A甚至8A）可將2個(gè)或多個(gè)MOSFET并聯(lián)使用。

目前也有很多將MOSFET和IC集成在一起的二合一鋰電池保護(hù)芯片，利用更少的外圍電路器件實(shí)現(xiàn)充放電保護(hù)。

充電和放電截止電壓是通過(guò)采樣電池兩端電壓實(shí)現(xiàn)的，電池電壓達(dá)到充放電的閾值，IC控制對(duì)應(yīng)MOSFET管的關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)；過(guò)充和過(guò)放電流保護(hù)通過(guò)檢測(cè)R_SS(ON)或采樣電阻R_sns兩端電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這和系統(tǒng)的充放電電流有關(guān)。

當(dāng)系統(tǒng)的充放電電流較小時(shí)，通過(guò)V-管腳采樣MOSFET源極兩端電壓與過(guò)充/放電流保護(hù)電壓閾值比較實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

MOSFET的R_SS(ON)值具有正的溫度系數(shù)，充放電電流較大時(shí)，會(huì)影響保護(hù)閾值精度，因此通過(guò)CS管腳采樣Rsns兩端電壓與保護(hù)電壓閾值比較，為提高效率盡量選擇R_SS(ON)較小的管子。

☆充電保護(hù)

充電保護(hù)的MOSFET一般用在端口與快充芯片之間，在電路中實(shí)現(xiàn)OVP的功能。背靠背共源極串聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)雙向充放電，并阻斷反灌電流；多充電線路充電方案中，可利用多路串、并聯(lián)MOSFET的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)充電線路的選擇。

充電頭與被充電設(shè)備之間按照協(xié)議檢測(cè)并準(zhǔn)確輸出電壓，握手成功后打開(kāi)次級(jí)整流輸出V_BUS端口的開(kāi)關(guān)MOSFET正常供電，通常選擇耐壓值為30V或40V的MOSFET即可滿足需求。

☆筆記本電腦中的BUCK-BOOST架構(gòu)

MOSFET作為開(kāi)關(guān)電源模塊中核心的部分，在升壓和降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中均會(huì)用到。

筆記本電腦大都由適配器或電池供電，適配器的典型輸出電壓19.5V，電池的輸出電壓為10.8V或14.4V，通常都需要降壓為主板的各部分供電，因此在筆記本電腦中含有較多的BUCK和BUCK-BOOST電路；前級(jí)的Charger也可采用BUCK-BOOST架構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙向充電。筆記本電腦整機(jī)中功率MOSFET使用量不少于30顆，有很大的市場(chǎng)潛力。

☆電動(dòng)工具中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)

在電動(dòng)工具中，可利用MOSFET驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，Q1~Q6組成的橋式三相逆變繼電器，通過(guò)控制對(duì)應(yīng)上下管的關(guān)斷將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成PWM波，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成交流電，需要使用低R_DS(on)、低開(kāi)關(guān)損耗、體二極管反向恢復(fù)特性較好、高抗沖擊能力的MOSFET。

目前，艾為30V耐壓的MOSFET均可滿足需求，后續(xù)耐壓值40V甚至是60V的MOSFET產(chǎn)品可以在電動(dòng)工具中得到更為廣泛的應(yīng)用。同樣地，驅(qū)動(dòng)前級(jí)電源管理模塊的MOSFET應(yīng)用在前面已經(jīng)介紹過(guò)，主要包括DC-DC模塊的同步整流和鋰電池保護(hù)。

☆無(wú)線充中的線圈驅(qū)動(dòng)

在無(wú)線充的發(fā)射端，MOSFET組成的全橋逆變電路作為線圈驅(qū)動(dòng)，將輸入直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電從而實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，在接收端再通過(guò)整流橋電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電為后級(jí)電路供電。發(fā)射端同樣需要使用低R_DS(on)、低開(kāi)關(guān)損耗、體二極管反向恢復(fù)特性較好、高抗沖擊能力的MOSFET。

☆鋰電池保護(hù)MOSFET

艾為用于鋰電池保護(hù)的MOSFET產(chǎn)品為集成2顆MOSFET的Dual-NMOS，多為CSP封裝，更容易滿足便攜應(yīng)用對(duì)外型輕薄機(jī)身的需求，在手機(jī)和平板等對(duì)體積和尺寸要求較為嚴(yán)格的終端產(chǎn)品的應(yīng)用廣泛。其中AW401002QCSR的R_SS(ON)值更小，加上6L的封裝，散熱性更好。

☆Single NMOS

艾為的Single NMOS以30V耐壓的產(chǎn)品為主，基本是表面貼裝的DFN封裝，無(wú)引腳焊盤(pán)設(shè)計(jì)，占有較小的PCB面積，底部擁有大面積的散熱焊盤(pán)，可進(jìn)一步優(yōu)化散熱特性。

后續(xù)艾為也會(huì)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景推出60V、80V和100V耐壓值，更低R_DS(on)值，更高I_D值的產(chǎn)品。

綜上所述，在包含鋰電池保護(hù)模塊、充電管理模塊、開(kāi)關(guān)電源模塊及驅(qū)動(dòng)模塊的相關(guān)整機(jī)產(chǎn)品均會(huì)用到相應(yīng)的MOSFET產(chǎn)品。

目前艾為也在積極開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品，拓寬MOSFET的應(yīng)用場(chǎng)景，滿足客戶不同的需求。未來(lái)，艾為也還會(huì)持續(xù)推出更加優(yōu)質(zhì)的艾為芯，為市場(chǎng)注入“芯”活力，敬請(qǐng)期待。