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开关电源MOS管选用办法

MOS管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

 MOS管最常见的使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。服务器和通讯设备等使用一般都装备有多个并行电源,以支撑N+1 冗余与持续作业 (图1)。各并行电源均匀分管负载,确保体系即便在一个电源呈现毛病的情况下依然能够持续作业。不过,这种架构还需求一种办法把并行电源的输出衔接在一起,并确保某个电源的毛病不会影响到其它的电源。在每个电源的输出端,有一个功率MOS管能够让众电源分管负载,一起各电源又互相阻隔 。起这种效果的MOS管被称为”ORing”FET,由于它们本质上是以 “OR” 逻辑来衔接多个电源的输出。

  

  图1:用于针对N+1冗余拓扑的并行电源操控的MOS管

  在ORing FET使用中,MOS管的效果是开关器材,可是由于服务器类使用中电源不间断作业,这个开关实践上一直处于导通状况。其开关功用只发挥在发动和关断,以及电源呈现毛病之时 。

  比较从事以开关为中心使用的规划人员,ORing FET使用规划人员明显必需重视MOS管的不同特性。以服务器为例,在正常作业期间,MOS管只适当于一个导体。因而,ORing FET使用规划人员最关怀的是最小传导损耗。

  低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺度降至最小

  一般来说,MOS管制作商选用RDS(ON) 参数来界说导通阻抗;对ORing FET使用来说,RDS(ON) 也是最重要的器材特性。数据手册界说RDS(ON) 与极 (或驱动) 电压 VGS 以及流经开关的电流有关,但关于充沛的栅极驱动,RDS(ON) 是一个相对静态参数。

  若规划人员企图开发尺度最小、本钱最低的电源,低导通阻抗更是加倍的重要。在电源规划中,每个电源常常需求多个ORing MOS管并行作业,需求多个器材来把电流传送给负载。在许多情况下,规划人员有必要并联MOS管,以有用下降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独自的阻抗值。比方,两个并联的2Ω 电阻适当于一个1Ω的电阻 。因而,一般来说,一个低RDS(ON) 值的MOS管,具有大额定电流,就能够让规划人员把电源中所用MOS管的数目减至最少。

  除了RDS(ON)之外,在MOS管的挑选过程中还有几个MOS管参数也对电源规划人员非常重要。许多情况下,规划人员应该亲近重视数据手册上的安全作业区(SOA)曲线,该曲线一起描绘了漏极电流和漏源电压的联系。根本上,SOA界说了MOSFET能够安全作业的电源电压和电流。在ORing FET使用中,首要问题是:在”彻底导通状况”下FET的电流传送才能。实践上无需SOA曲线也能够获得漏极电流值。

  若规划是完成热插拔功用,SOA曲线或许更能发挥效果。在这种情况下,MOS管需求部分导通作业。SOA曲线界说了不同脉冲期间的电流和电压限值。

  留意刚刚说到的额定电流,这也是值得考虑的热参数,由于一直导通的MOS管很简略发热。别的,日渐升高的结温也会导致RDS(ON)的添加。MOS管数据手册规则了热阻抗参数,其界说为MOS管封装半导体结散热才能。RθJC的最简略的界说是结到管壳的热阻抗。细言之,在实践丈量中其代表从器材结(关于一个笔直MOS管,即裸片的上外表邻近)到封装外外表的热阻抗,在数据手册中有描绘。若选用PowerQFN封装,管壳界说为这个大漏极片的中心。因而,RθJC 界说了裸片与封装体系的热效应。RθJA 界说了从裸片外表到周围环境的热阻抗,并且一般经过一个脚注来标明与PCB规划的联系,包含镀铜的层数和厚度。

  开关电源中的MOS管

  现在让咱们考虑开关电源使用,以及这种使用怎么需求从一个不同的视点来审视数据手册。从界说上而言,这种使用需求MOS管定时导通和关断。一起,稀有十种拓扑可用于开关电源,这儿考虑一个简略的比如。DC-DC电源中常用的根本降压转换器依靠两个MOS管来履行开关功用(图2),这些开关替换在电感里存储能量,然后把能量释放给负载。现在,规划人员常常挑选数百kHz甚至1 MHz以上的频率,由于频率越高,磁性元件能够更小更轻。

  

  图2:用于开关电源使用的MOS管对。(DC-DC操控器)

  明显,电源规划适当杂乱,并且也没有一个简略的公式可用于MOS管的评价。但咱们无妨考虑一些要害的参数,以及这些参数为什么至关重要。传统上,许多电源规划人员都选用一个归纳质量因数(栅极电荷QG ×导通阻抗RDS(ON))来评价MOS管或对之进行等级区分。

  栅极电荷和导通阻抗之所以重要,是由于二者都对电源的功率有直接的影响。对功率有影响的损耗首要分为两种方式–传导损耗和开关损耗。

  栅极电荷是发生开关损耗的首要原因。栅极电荷单位为纳库仑(nc),是MOS管栅极充电放电所需的能量。栅极电荷和导通阻抗RDS(ON) 在半导体规划和制作工艺中彼此相关,一般来说,器材的栅极电荷值较低,其导通阻抗参数就稍高。开关电源中第二重要的MOS管参数包含输出电容、阈值电压、栅极阻抗和雪崩能量。

  某些特别的拓扑也会改动不同MOS管参数的相关质量,例如,能够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MOS管开关,然后可把开关损耗降至最低。这些技能被成为软开关或零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)技能。由于开关损耗被最小化,RDS(ON) 在这类拓扑中显得愈加重要。

  低输出电容(COSS)值对这两类转换器都大有优点。谐振转换器中的谐振电路首要由变压器的漏电感与COSS决议。此外,在两个MOS管关断的死区时间内,谐振电路有必要让COSS彻底放电。

  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。由于每个硬开关周期存储在输出电容中的能量会丢掉,反之在谐振转换器中能量重复循环。因而,低输出%&&&&&%关于同步降压调节器的低边开关特别重要。

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