開關電源上MOS管的選擇方法

2021-03-03 23:29:23 字數 2716 閱讀 8112

mos管最常見的應用可能是電源中的開關元件,此外,它們對電源輸出也大有裨益。伺服器和通訊裝置等應用一般都配置有多個並行電源,以支援n+1冗餘與持續工作(圖1)。各並行電源平均分擔負載,確保系統即使在乙個電源出現故障的情況下仍然能夠繼續工作。

不過,這種架構還需要一種方法把並行電源的輸出連線在一起,並保證某個電源的故障不會影響到其它的電源。在每個電源的輸出端,有乙個功率mos管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mos管被稱為"oring"fet,因為它們本質上是以"or"【或】邏輯來連線多個電源的輸出。

圖1用於針對n+1冗餘拓撲的並行電源控制的mos管在oring fet應用中,mos管的作用是開關器件,但是由於伺服器類應用中電源不間斷工作,這個開關實際上始終處於導通狀態。其開關功能只發揮在啟動和關斷,以及電源出現故障之時。

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mos管的不同特性。以伺服器為例,在正常工作期間,mos管只相當於乙個導體。因此,oring fet應用設計人員最關心的是最小傳導損耗。

低r ds(on)可把bom及pcb尺寸降至最小

一般而言,mos管製造商採用r ds(on)引數來定義導通阻抗;對oring fet應用來說,r ds(on)也是最重要的器件特性。資料手冊定義r ds(on)與柵極(或驅動)電壓v gs以及流經開關的電流有關,但對於充分的柵極驅動,r ds(on)是乙個相對靜態引數。

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 mos管並行工作,需要多個器件來把電流傳送給負載。在許多情況下,設計人員必須併聯mos管,以有效降低r ds(on)。

需謹記,在dc電路中,併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,兩個併聯的2ω電阻相當於乙個1ω的電阻。因此,一般來說,乙個低r ds(on)值的mos管,具備大額定電流,就可以讓設計人員把電源中所用mos管的數目減至最少。

除了r ds(on)之外,在mos管的選擇過程中還有幾個mos管引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資料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。

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,mos管需要部分導通工作。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引數,因為始終導通的mos管很容易發熱。另外,日漸公升高的結溫也會導致r ds(on)的增加。mos管資料手冊規定了熱阻抗引數,其定義為mos管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(對於乙個垂直mos管,即裸片的上表面附近)到封裝外表面的熱阻抗,在資料手冊中有描述。若採用powerqfn封裝1,管殼定義為這個大漏極片的中心。

因此,rθjc定義了裸片與封裝系統的熱效應。rθja定義了從裸片表面到周圍環境的熱阻抗,而且一般通過乙個腳注來標明與pcb設計的關係,包括鍍銅的層數和厚度。

開關電源中的mos管

現在讓我們考慮開關電源應用,以及這種應用如何需要從乙個不同的角度來審視資料手冊。從定義上而言,這種應用需要mos管定期導通和關斷。同時,有數十種拓撲可用於開關電源,這裡考慮乙個簡單的例子。

dc-dc電源中常用的基本降壓轉換器依賴兩個mos管來執行開關功能(圖2),這些開關交替在電感裡儲存能量,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1mhz以上的頻率,因為頻率越高,磁性元件可以更小更輕。

1qfn(quad flat no-leadpackage,方形扁平無引腳封裝),表面貼裝型封裝之一。現在多稱為

lcc。

圖2用於開關電源應用的mos管對(dc-dc控制器) 顯然,電源設計相當複雜,而且也沒有乙個簡單的公式可用於mos管的評估。但我們不妨考慮一些關鍵的引數,以及這些引數為什麼至關重要。傳統上,許多電源設計人員都採用乙個綜合品質因數(柵極電荷q g×導通阻抗r ds(on))來評估mos管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mos管柵極充電放電所需的能量。柵極電荷和導通阻抗r ds(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,其導通阻抗引數就稍高。

開關電源中第二重要的mos管引數包括輸出電容、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mos管引數的相關品質,例如,可以把傳統的同步降壓轉換器與諧振轉換器做比較。諧振轉換器只在v ds(漏源電壓)或i d(漏極電流)過零時才進行mos管開關,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)2或零電流開關(zcs)3技術。由於開關損耗被最小化,r ds(on)在這類拓撲中顯得更加重要。

低輸出電容(c oss)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c oss決定。此外,在兩個mos管關斷的死區時間內,諧振電路必須讓c oss完全放電。

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),不過原因不同。因為每個硬開關週期儲存在輸出電容中的能量會丟失,反之在諧振轉換器中能量反覆迴圈。因此,低輸出電容對於同步降壓調節器的低邊開關尤其重要。

2zero v oltage switch

3zero current switch

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