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MOSFET器件的选择技巧

小到选N型还是P型、封装类型 ， 大到MOSFET的耐压、导通电阻等 ， 不同的应用需求千变万化 ， 工程师在选择MOS管时 ， 一定要依据电路设计需求及MOS管工作场所来选取合适的MOS管 ， 从而获得最佳的产品设计体验 。当然 ， 在考虑性能的同时 ， 成本也是选择的因素之一 ， 只有高性价比的产品 ， 才能让工程师设计的产品在品质与收益中达到平衡 。
MOS管选型技巧
选择到一款正确的MOS管 ， 可以很好地控制生产制造成本 ， 最为重要的是 ， 为产品匹配了一款最恰当的元器件 ， 这在产品未来的使用过程中 ， 将会充分发挥其“螺丝钉”的作用 ， 确保设备得到最高效、最稳定、最持久的应用效果 。那么面对市面上琳琅满目的MOS管 ， 该如何选择呢?下面 ， 我们就分7个步骤来阐述MOS管的选型要求 。
MOS管是电子制造的基本元件 ， 但面对不同封装、不同特性、不同品牌的MOS管时 ， 该如何抉择?有没有省心、省力的遴选方法?
首先是确定N、P沟道的选择
MOS管有两种结构形式 ， 即N沟道型和P沟道型 ， 结构不一样 ， 使用的电压极性也会不一样 ， 因此 ， 在确定选择哪种产品前 ， 首先需要确定采用N沟道还是P沟道MOS管 。
MOS管的两种结构：N沟道型和P沟道型
在典型的功率应用中 ， 当一个MOS管接地 ， 而负载连接到干线电压上时 ， 该MOS管就构成了低压侧开关 。在低压侧开关中 ， 应采用N沟道MOS管 ， 这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑 。
【MOSFET器件的选择技巧】 当MOS管连接到总线及负载接地时 ， 就要用高压侧开关 。通常会在这个拓扑中采用P沟道MOS管 ， 这也是出于对电压驱动的考虑 。
要选择适合应用的器件 ， 必须确定驱动器件所需的电压 ， 以及在设计中最简易执行的方法 。
第二步是确定电压
额定电压越大 ， 器件的成本就越高 。从成本角度考虑 ， 还需要确定所需的额定电压 ， 即器件所能承受的最大电压 。根据实践经验 ， 额定电压应当大于干线电压或总线电压 ， 一般会留出1.2~1.5倍的电压余量 ， 这样才能提供足够的保护 ， 使MOS管不会失效 。
就选择MOS管而言 ， 必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压 ， 即最大VDS 。由于MOS管所能承受的最大电压会随温度变化而变化 ， 设计人员必须在整个工作温度范围内测试电压的变化范围 。额定电压必须有足够的余量覆盖这个变化范围 ， 确保电路不会失效 。
此外 ， 设计工程师还需要考虑其他安全因素：如由开关电子设备(常见有电机或变压器)诱发的电压瞬变 。另外 ， 不同应用的额定电压也有所不同;通常便携式设备选用20V的MOS管 ， FPGA电源为20～30V的MOS管 ， 85～220V AC应用时MOS管VDS为450～600V 。
第三步为确定电流
确定完电压后 ， 接下来要确定的就是MOS管的电流 。需根据电路结构来决定 ， MOS管的额定电流应是负载在所有情况下都能够承受的最大电流;与电压的情况相似 ， MOS管的额定电流必须能满足系统产生尖峰电流时的需求 。电流的确定需从两个方面着手：连续模式和脉冲尖峰 。在连续导通模式下 ， MOS管处于稳态 ， 此时电流连续通过器件 。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件 。一旦确定了这些条件下的最大电流 ， 只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可 。
选好额定电流后 ， 还必须计算导通损耗 。在实际情况下 ， MOS管并不是理想的器件 ， 因为在导电过程中会有电能损耗 ， 也就是导通损耗 。MOS管在“导通”时就像一个可变电阻 ， 由器件的导通电阻RDS(ON)所确定 ， 并随温度而显著变化 。器件的功率损耗PTRON=Iload2×RDS(ON)计算(Iload：最大直流输出电流) ， 由于导通电阻会随温度变化 ， 因此功率耗损也会随之按比例变化 。对MOS管施加的电压VGS越高 ， RDS(ON)就会越小;反之RDS(ON)就会越高 。
对系统设计人员来说 ， 这就需要折中权衡 。对便携式设计来说 ， 采用较低的电压即可(较为普遍);而对于工业设计来说 ， 可采用较高的电压 。需要注意的是 ， RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升 。
技术对器件的特性有着重大影响 ， 因为有些技术在提高最大VDS(漏源额定电压)时往往会使RDS(ON)增大 。对于这样的技术 ， 如果打算降低VDS和RDS(ON) ， 那么就得增加晶片尺寸 ， 从而增加与之配套的封装尺寸及相关的开发成本 。业界现有好几种试图控制晶片尺寸增加的技术 ， 其中最主要的是沟道和电荷平衡技术 。
第四步是确定热要求
在确定电流之后 ， 就要计算系统的散热要求 。设计人员必须考虑两种不同的情况：最坏情况和真实情况 。建议采用针对最坏情况的计算结果 ， 因为这个结果提供更大的安全余量 ， 能确保系统不会失效 。在MOS管的资料表上还有一些需要注意的测量数据 ， 比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻 ， 以及最大的结温 。
器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积 ， 即结温=最大环境温度+(热阻×功率耗散) 。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散=I2×RDS(ON) 。
由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流 ， 因此可以计算出不同温度下的RDS(ON) 。值得注意的是 ， 在处理简单热模型时 ， 设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量;即要求印刷电路板和封装不会立即升温 。
雪崩击穿(指半导体器件上的反向电压超过最大值 ， 并形成强电场使器件内电流增加)形成的电流将耗散功率 ， 使器件温度升高 ， 而且有可能损坏器件 。半导体公司都会对器件进行雪崩测试 ， 计算其雪崩电压 ， 或对器件的稳健性进行测试 。
计算额定雪崩电压有两种方法;一是统计法 ， 另一是热计算 。而热计算因为较为实用而得到广泛采用 。除计算外 ， 技术对雪崩效应也有很大影响 。例如 ， 晶片尺寸的增加会提高抗雪崩能力 ， 最终提高器件的稳健性 。对最终用户而言 ， 这意味着要在系统中采用更大的封装件 。
第五步是确定开关性能
选择MOS管的最后一步是确定其开关性能 。影响开关性能的参数有很多 ， 但最重要的是栅极/漏极、栅极/源极及漏极/源极电容 。因为在每次开关时都要对这些电容充电 ， 会在器件中产生开关损耗;MOS管的开关速度也因此被降低 ， 器件效率随之下降;其中 ， 栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最大 。
为计算开关过程中器件的总损耗 ， 设计人员必须计算开通过程中的损耗(Eon)和关闭过程中的损耗(Eoff) ， 进而推导出MOS管开关总功率：Psw=(Eon+Eoff)×开关频率 。
增强型NMOS管构成的开关电路
第六步为封装因素考量
不同的封装尺寸MOS管具有不同的热阻和耗散功率 ， 需要考虑系统的散热条件和环境温度(如是否有风冷、散热器的形状和大小限制、环境是否封闭等因素) ， 基本原则就是在保证功率MOS管的温升和系统效率的前提下 ， 选取参数和封装更通用的功率MOS管 。
常见的MOS管封装有：
①插入式封装：TO-3P、TO-247、TO-220、TO-220F、TO-251、TO-92;
②表面贴装式：TO-263、TO-252、SOP-8、SOT-23、DFN5*6、DFN3*3;
TO封装MOS管
不同的封装形式 ， MOS管对应的极限电流、电压和散热效果都会不一样 ， 简单介绍如下 。
TO-3P/247：是中高压、大电流MOS管常用的封装形式 ， 产品具有耐压高、抗击穿能力强等特点 ， 适于中压大电流(电流10A以上、耐压值在100V以下)在120A以上、耐压值200V以上的场所中使用 。
TO-220/220F：这两种封装样式的MOS管外观差不多 ， 可以互换使用 ， 不过TO-220背部有散热片 ， 其散热效果比TO-220F要好些 ， 价格相对也要贵些 。这两个封装产品适于中压大电流120A以下、高压大电流20A以下的场合应用 。
TO-251：该封装产品主要是为了降低成本和缩小产品体积 ， 主要应用于中压大电流60A以下、高压7N以下环境中 。
TO-92：该封装只有低压MOS管(电流10A以下、耐压值60V以下)和高压1N60/65在采用 ， 主要是为了降低成本 。
TO-263：是TO-220的一个变种 ， 主要是为了提高生产效率和散热而设计 ， 支持极高的电流和电压 ， 在150A以下、30V以上的中压大电流MOS管中较为多见 。
TO-252：是目前主流封装之一 ， 适用于高压在7N以下、中压在70A以下环境中 。
SOP-8：该封装同样是为降低成本而设计 ， 一般在50A以下的中压、60V左右的低压MOS管中较为多见 。
SOT-23：适于几A电流、60V及以下电压环境中采用 ， 其又分有大体积和小体积两种 ， 主要区别在于电流值不同 。
第七步要选择好品牌
MOS管的生产企业很多 ， 大致说来 ， 主要有欧美系、日系、韩系、台系、国产几大系列 。
欧美系代表企业：IR、ST、仙童、安森美、TI、PI、英飞凌等;
日系代表企业：东芝、瑞萨、新电元等;
韩系代表企业：KEC、AUK、美格纳、森名浩、威士顿、信安等;
台系代表企业：APEC、CET;
国产代表企业：吉林华微、士兰微、华润华晶、东光微、深爱半导体等 。
在这些品牌中 ， 以欧美系企业的产品种类最全、技术及性能最优 ， 从性能效果考虑 ， 是为MOS管的首选;以瑞萨、东芝为代表的日系企业也是MOS管的高端品牌 ， 同样具有很强的竞争优势;这些品牌也是市面上被仿冒最多的 。另外 ， 由于品牌价值、技术优势等原因 ， 欧美系和日系品牌企业的产品价格也往往较高 。
韩国和中国台湾的MOS管企业也是行业的重要产品供应商 ， 不过在技术上 ， 要稍弱于欧美及日系企业 ， 但在价格方面 ， 较欧美及日系企业更具优势;性价比相对高很多 。
而在中国大陆 ， 同样活跃着一批本土企业 ， 他们借助更低的成本优势和更快的客户服务响应速度 ， 在中低端及细分领域具有很强的竞争力 ， 部分实现了国产替代;目前也在不断冲击高端产品线 ， 以满足本土客户的需求 。另外 ， 本土企业还通过资本运作 ， 成功收购了安世半导体等国际知名的功率器件公司 ， 将更好地满足本土对功率器件的需求 。

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