MOS管開(kāi)關(guān)電源

MOS管最常見(jiàn)的應(yīng)用可能是電源中的開(kāi)關(guān)元件，此外，它們對(duì)電源輸出也大有裨益。服務(wù)器和通信設(shè)備等應(yīng)用一般都配置有多個(gè)并行電源，以支持N+1 冗余與持續(xù)工作 (圖1)。各并行電源平均分擔(dān)負(fù)載，確保系統(tǒng)即使在一個(gè)電源出現(xiàn)故障的情況下仍然能夠繼續(xù)工作。

不過(guò)，這種架構(gòu)還需要一種方法把并行電源的輸出連接在一起，并保證某個(gè)電源的故障不會(huì)影響到其它的電源。在每個(gè)電源的輸出端，有一個(gè)功率MOS管可以讓眾電源分擔(dān)負(fù)載，同時(shí)各電源又彼此隔離 。起這種作用的MOS管被稱為"ORing"FET，因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是以 "OR" 邏輯來(lái)連接多個(gè)電源的輸出。

如何用MOS管控制使之達(dá)到電源緩啟動(dòng)的目的

在電信工業(yè)和微波電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，普遍使用MOS管控制沖擊電流的方達(dá)到電流緩啟動(dòng)的目的。MOS管有導(dǎo)通阻抗Rds_on低和驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在周?chē)由仙倭吭骷涂梢詷?gòu)成緩慢啟動(dòng)電路。雖然電路比較簡(jiǎn)單，但只有吃透MOS管的相關(guān)開(kāi)關(guān)特性后才能對(duì)這個(gè)電路有深入的理解。

MOSFET的開(kāi)通過(guò)程

盡管MOSFET在開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)控制等一些電子系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，但是許多電子工程師并沒(méi)有十分清楚的理解MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程，以及MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中所處的狀態(tài)一般來(lái)說(shuō)，電子工程師通常基于柵極電荷理解MOSFET的開(kāi)通的過(guò)程，如圖1所示此圖在MOSFET數(shù)據(jù)表中可以查到。

圖1 AOT460柵極電荷特性

MOSFET的D和S極加電壓為VDD，當(dāng)驅(qū)動(dòng)開(kāi)通脈沖加到MOSFET的G和S極時(shí)，輸入電容Ciss充電，G和S極電壓Vgs線性上升并到達(dá)門(mén)檻電壓VGS(th)，Vgs上升到VGS(th)之前漏極電流Id≈0A，沒(méi)有漏極電流流過(guò)，Vds的電壓保持VDD不變。

當(dāng)Vgs到達(dá)VGS(th)時(shí)，漏極開(kāi)始流過(guò)電流Id，然后Vgs繼續(xù)上升，Id也逐漸上升，Vds仍然保持VDD當(dāng)Vgs到達(dá)米勒平臺(tái)電壓VGS(pl)時(shí)，Id也上升到負(fù)載電流最大值ID，Vds的電壓開(kāi)始從VDD下降。米勒平臺(tái)期間，Id電流維持ID，Vds電壓不斷降低。

米勒平臺(tái)結(jié)束時(shí)刻，Id電流仍然維持ID，Vds電壓降低到一個(gè)較低的值米勒平臺(tái)結(jié)束后，Id電流仍然維持ID，Vds電壓繼續(xù)降低，但此時(shí)降低的斜率很小，因此降低的幅度也很小，最后穩(wěn)定在Vds=Id×Rds(on)因此通常可以認(rèn)為米勒平臺(tái)結(jié)束后MOSFET基本上已經(jīng)導(dǎo)通。

對(duì)于上述的過(guò)程，理解難點(diǎn)在于為什么在米勒平臺(tái)區(qū)，Vgs的電壓恒定？驅(qū)動(dòng)電路仍然對(duì)柵極提供驅(qū)動(dòng)電流，仍然對(duì)柵極電容充電，為什么柵極的電壓不上升？而且柵極電荷特性對(duì)于形象的理解MOSFET的開(kāi)通過(guò)程并不直觀因此，下面將基于漏極導(dǎo)通特性理解MOSFET開(kāi)通過(guò)程。

MOSFET的漏極導(dǎo)通特性與開(kāi)關(guān)過(guò)程

MOSFET的漏極導(dǎo)通特性如圖2所示MOSFET與三極管一樣，當(dāng)MOSFET應(yīng)用于放大電路時(shí)，通常要使用此曲線研究其放大特性只是三極管使用的基極電流、集電極電流和放大倍數(shù)，而MOSFET使用柵極電壓、漏極電流和跨導(dǎo)。

圖2 AOT460的漏極導(dǎo)通特性

三極管有三個(gè)工作區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)，MOSFET對(duì)應(yīng)是關(guān)斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)注意：MOSFET恒流區(qū)有時(shí)也稱飽和區(qū)或放大區(qū)當(dāng)驅(qū)動(dòng)開(kāi)通脈沖加到MOSFET的G和S極時(shí)，Vgs的電壓逐漸升高時(shí)，MOSFET的開(kāi)通軌跡A-B-C-D如圖3中的路線所示

圖3 AOT460的開(kāi)通軌跡

開(kāi)通前，MOSFET起始工作點(diǎn)位于圖3的右下角A點(diǎn)，AOT460的VDD電壓為48V，Vgs的電壓逐漸升高，Id電流為0，Vgs的電壓達(dá)到VGS(th)，Id電流從0開(kāi)始逐漸增大A-B就是Vgs的電壓從VGS(th)增加到VGS(pl)的過(guò)程從A到B點(diǎn)的過(guò)程中，可以非常直觀的發(fā)現(xiàn)，此過(guò)程工作于MOSFET的恒流區(qū)，也就是Vgs電壓和Id電流自動(dòng)找平衡的過(guò)程，即Vgs電壓的變化伴隨著Id電流相應(yīng)的變化，其變化關(guān)系就是MOSFET的跨導(dǎo)：Gfs=Id/Vgs，跨導(dǎo)可以在MOSFET數(shù)據(jù)表中查到。

當(dāng)Id電流達(dá)到負(fù)載的最大允許電流ID時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的柵級(jí)電壓Vgs(pl)=Id/gFS由于此時(shí)Id電流恒定，因此柵極Vgs電壓也恒定不變，見(jiàn)圖3中的B-C，此時(shí)MOSFET處于相對(duì)穩(wěn)定的恒流區(qū)，工作于放大器的狀態(tài)開(kāi)通前，Vgd的電壓為Vgs-Vds，為負(fù)壓，進(jìn)入米勒平臺(tái)，Vgd的負(fù)電壓絕對(duì)值不斷下降，過(guò)0后轉(zhuǎn)為正電壓驅(qū)動(dòng)電路的電流絕大部分流過(guò)CGD，以掃除米勒電容的電荷，因此柵極的電壓基本維持不變Vds電壓降低到很低的值后，米勒電容的電荷基本上被掃除，即圖3中的C點(diǎn)。

于是，柵極的電壓在驅(qū)動(dòng)電流的充電下又開(kāi)始升高，如圖3中的C-D，使MOSFET進(jìn)一步完全導(dǎo)通C-D為可變電阻區(qū)，相應(yīng)的Vgs電壓對(duì)應(yīng)著一定的Vds電壓Vgs電壓達(dá)到最大值，Vds電壓達(dá)到最小值，由于Id電流為ID恒定，因此Vds的電壓即為ID和MOSFET的導(dǎo)通電阻的乘積基于MOSFET的漏極導(dǎo)通特性曲線可以直觀的理解MOSFET開(kāi)通時(shí)，跨越關(guān)斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)的過(guò)程米勒平臺(tái)即為恒流區(qū)，MOSFET工作于放大狀態(tài)，Id電流為Vgs電壓和跨導(dǎo)乘積電路原理詳細(xì)說(shuō)明：MOS管是電壓控制器件，其極間電容等效電路如圖4所示。

圖4. 帶外接電容C2的N型MOS管極間電容等效電路

MOS管的極間電容柵漏電容Cgd、柵源電容Cgs、漏源電容Cds可以由以下公式確定：

R2由允許沖擊電流決定：

其中Vmax為最大輸入電壓，Cload為C3和DC/DC電源模塊內(nèi)部電容的總和，Iinrush為允許沖擊電流的幅度。

圖5 有源沖擊電流限制法電路

D1是一個(gè)穩(wěn)壓二極管，用來(lái)限制MOS管 Q1的柵源電壓。元器件R1，C1和D2用來(lái)保證MOS管Q1在剛上電時(shí)保持關(guān)斷狀態(tài)。具體情況是：上電后，MOS管的柵極電壓要慢慢上升，當(dāng)柵源電壓Vgs高到一定程度后，二極管D2導(dǎo)通，這樣所有的電荷都給電容C1以時(shí)間常數(shù)R1×C1充電，柵源電壓Vgs以相同的速度上升，直到MOS管Q1導(dǎo)通產(chǎn)生沖擊電流。以下是計(jì)算C1和R1的公式：

其中Vth為MOS管Q1的最小門(mén)檻電壓，VD2為二極管D2的正向?qū)▔航担琕plt為產(chǎn)生Iinrush沖擊電流時(shí)的柵源電壓。Vplt可以在MOS管供應(yīng)商所提供的產(chǎn)品資料里找到。MOS管選擇以下參數(shù)對(duì)于有源沖擊電流限制電路的MOS管選擇非常重要：l 漏極擊穿電壓 Vds 　　必須選擇Vds比最大輸入電壓Vmax和最大輸入瞬態(tài)電壓還要高的MOS管，對(duì)于通訊系統(tǒng)中用的MOS管，一般選擇Vds≥100V。

柵源電壓Vgs穩(wěn)壓管D1是用來(lái)保護(hù)MOS管Q1的柵極以防止其過(guò)壓擊穿，顯然MOS管Q1的柵源電壓Vgs必須高于穩(wěn)壓管D1的最大反向擊穿電壓。一般MOS管的柵源電壓Vgs為20V，推薦12V的穩(wěn)壓二極管。l 導(dǎo)通電阻Rds_on.MOS管必須能夠耗散導(dǎo)通電阻Rds_on所引起的熱量，熱耗計(jì)算公式為：

其中Idc為DC/DC電源的最大輸入電流，Idc由以下公式確定：

其中Pout為DC/DC電源的最大輸出功率，Vmin為最小輸入電壓，η為DC/DC電源在輸入電壓為Vmin輸出功率為Pout時(shí)的效率。η可以在DC/DC電源供應(yīng)商所提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)里查到。MOS管的Rds_on必須很小，它所引起的壓降和輸入電壓相比才可以忽略。

圖6有源沖擊電流限制電路在75V輸入，DC/DC輸出空載時(shí)的波形。

針對(duì)N+1冗余拓?fù)涞牟⑿须娫纯刂频腗OS管

在ORing FET應(yīng)用中，MOS管的作用是開(kāi)關(guān)器件，但是由于服務(wù)器類(lèi)應(yīng)用中電源不間斷工作，這個(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)際上始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。其開(kāi)關(guān)功能只發(fā)揮在啟動(dòng)和關(guān)斷，以及電源出現(xiàn)故障之時(shí) 。

相比從事以開(kāi)關(guān)為核心應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員，ORing FET應(yīng)用設(shè)計(jì)人員顯然必需關(guān)注MOS管的不同特性。以服務(wù)器為例，在正常工作期間，MOS管只相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體。因此，ORing FET應(yīng)用設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的是最小傳導(dǎo)損耗。
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