功率MOSFET的应用问题分析（中）

问题7：关于Trench MOS的SOA, 听说MOSFET在放大区有负温度系数效应，所以容易产生热点。这是否就是MOSFET的二次击穿，但是，看资料MOSFET的Rdson是正温度系数效应，不会产生二次击穿。这一点，一直都没有了解过，能否指点一下，后面再请教详细情况。

回复：平面工艺和Trench工艺的MOSFET都有这个特点，这是MOSFET固有特性。Rdson的正温度系数效应是在完全导通的稳态的条件，才具有这样的特性，可以实现稳态的电流均流，但是，MOSFET在动态开通的过程中，会跨越负温度系数区进入到完全开通的正温度系数区，同样，关断过程中，跨越完全开通的正温度系数区进入负温度系数区。只是因为平面工艺的单元密度非常小，产生局部过流和过热的可能性小，因此热平衡好，相对的，动态经过负温度系数区时，抗热冲击好。通常在设计过程中，要快速的通过此区域，减小热不平衡的产生。

具体内容，参考文献：理解功率MOSFET的Rds(on)温度系数特性，今日电子：2009.11

           应用于线性调节器的中压功率功率MOSFET选择，今日电子：2012.2

        功率MOS管Rds(on)负温度系数对负载开关设计影响，电子技术应用：2010.12

问题8：关于寄生二极管和三极管，如下理解是否正确？下图中，S极并没有和P型层直接接触，那么就不存在寄生二极管，只有寄生三极管。但是这个三极管很容易误导通，所以将P型层也直接连到S级，以消弱三极管效应。那么此时就体现为明显的寄生二极管？

回复：是的，上述的理解是正确的，目前功率MOSFET的S极都和P＋连接在一起，很少用图中这样不连接的结构。主要的原因在于：对于内部寄生的三极管，S极和P＋连接在一起相当于基级和发射级短路，不连接在一起相当于开路：V_CES>>V_CEO。这样的内部连接，也导致内部的寄生二极管功能，也连接到外部电路。

问题9：关于米勒电容Crss，在你的文档MOSFET的动态参数中，有公式如下参考图片，Crss电容是栅极通过氧化层对漏极的电容，对于开关过程，在第2阶段，沟道打开后，Ciss为什么增加了，是什么原因？另外，AON6450规格书上的测试条件是V_DS=50V的情况，这个测试的条件基于什么原因？是否可以给出其它条件下的电容值？

回复： Ciss增加的原因是Crss增加，图中，器件导通后，Wdep减小，Crss就增加。对于一个100V的器件，比如：AON6450，由于在米勒平台区，极限的情况V_GD将从100V降到10V以内。Crss是一个动态电容，容值随着V_DS而变化，而且不是线性关系。

    数据表中所采用的测试条件，是行业通常采用的标准，以50%的V_DS测试。如果客户有特殊要求，可以提供80%或100%的数据。

问题10：功率MOSFET的SOA曲线如何得到的，可以用来作为设计的安全标准吗？

回复：任何一家公司的SOA曲线上，主要有3部分组成：电阻限制区、几条由脉冲功率限制的电流电压直线和最大电压直线。最大电压值就是数据表中的额定值。几条由脉冲功率限制的电流电压直线，实际上是计算值，就是基于数据表中的瞬态热阻、导通电阻以及最大的允许结温计算得到的，而且都是基于T_C=25度，T_C代表的是封装裸露铜皮的温度，在实际应用中，T_C的温度远高于25度，因此，SOA曲线是不能用来作为设计的验证标准。

问题11：V_GS大于V_GS(th)，MOSFET导通，MOSFET刚进入米勒平台，是否就算达到了饱和？如果是这样，此时停止向G极供电，假定忽略栅极氧化层的漏电，这时V_DS会一直维持比较高压降吗？感觉有点不可思议，因为其饱和以后，Rdson已经降了下来。如果说没有饱和，也感觉说不过去，Rdson和V_GS有关，达到10V以后，Rdson已经很小了，压降也应该降下来。如果说压降自动会降下来，那不是说米勒平台后期的充电没有什么用？

回复：V_GS大于V_GS(th)时，MOSFET开始导通，其刚进入米勒平台，MOSFET都工作在放大区，而且器件都没有完全导通，因为，此时MOSFET导通电阻非常大，D极的电压由整个MOSFET承受，因此电流较小，电流乘上电阻也等于V_DS值，也就是D、S极所加的电源电压值。

事实上，MOSFET工作在线性区时，和线性电压调节器，也就是LDO，如LM7805的工作原理相同，如：当输入电压为10V，输出5V，压降就是5V；输入电压12V，输出还是5V，压降是7V，MOSFET相当于调节管，输入电压和输出电压的差值，都由MOSFET来承担。

到了米勒平台区，电流为系统的最大电流，电流不能再增加，那么，V_DS的电压开始下降，即使是V_DS的电压下降一点点，所产生的电压变化率也非常大，因此，驱动回路的电流，将全部被米勒电容Crss所抽取，此时，就看到了所谓的“米勒平台”，V_DS的电压在一定的时间内，维持一个稳定的值，直到V_DS完全下降到最小值，V_DS的电压变化率为0时，才结束米勒平台区。

问题12：1、请教一个AO3401A的问题：现在使用AO3401A的导通电阻Rdson作为隔离电阻，用来缓冲热插入移动硬盘的瞬间冲击电流，防止瞬间把主机芯电压拉低，电路图如下，5V_USB是插移动硬盘的地方，+5V_Normal来自主机芯电压。将V_GS设计在固定的-1.6V左右，此时的Rdson大约在100mΩ左右，插上移动硬盘瞬间的冲击电流由原来的9A下降到了5A左右，冲击电流持续时间80微秒左右，效果很明显，移动硬盘正常工作时电流约300mA。如果将V_GS设计在-2.5V左右，Rdson只有几十mΩ，对冲击电流的抑制作用不大。这个电路的设计原则是什么？

回复：V_GS=-1.6V时，可以保证MOSFET导通，注意要考虑电阻阻值的分散性，在最差的条件下，如果使用电阻的精度为10％，V_GS电压绝对值：1.3+1.6*20%=1.64V，MOSFET仍然可以工作。如果电阻的精度为15％，考虑到MOSFET的V_GS(th)电压的分散性，在一定的条件下，如低温，MOSFET有可能不工作。V_GS(th)电压是负温度系数，温度越低，其值越大。

驱动电压的稳定值，要结合输入电压最低值，分压电阻值的精度，V_GS(th)和V_GS(th)的温度系数等最极端的条件下，来选择合适的分阻电阻的分压比，保证系统的设计要求。同样，PCB布板时，S和D都用大的铜皮连接，如果是多层板，在每层都放上相应大小的的铜皮，用多个10-15mil的过孔连接，散热。

2、AO3401的V_GS(th)规格书中标的可以到-1.3V，设置V_GS=-1.6V，电压绝对值大于-1.3V，是否该MOS正常导通，应该没有问题吧？现在损耗并不是考虑的问题，0.03V的Rdson的压降对系统没有任何影响。原来使用一个0.1欧姆的氧化膜电阻来做隔离的，但是该电阻体积太大，用这个电路的目的就是想替换这个电阻。由于这个电路中，MOSFET是在电视机开机后一直导通的，在MOSFET一直导通的状态下，来插入移动硬盘的，而不是插入移动硬盘后再打开MOS的，所以觉得调节R45/R46/C18的值不能起到降低冲击电流的作用。希望利用MOSFET的恒流区特性来降低冲击电流，如果把V_GS调整到-2.5V以上，对冲击电流的限制作用就非常小了，只能从9A降到8A左右，这样的做法对MOS来说会有问题吗？

 回复：事实上，下面的电路是利于MOSFET在开通过程中，较长时间工作在线性区（放大区，也就是恒流区），从而控制上电时瞬态大负载，如热插拨移动硬盘，因为硬盘带有较大的容性负载，切入瞬间形成较大的浪涌电流．如果MOSFET已经导通，后面再插入移动硬盘这样的大容性负载，浪涌电流主要由输出端的大电容来提供，因此MOSFET无法限制浪涌电流。
         MOSFET工作在线性区时，电阻远大于完全导通的电阻，因此也可以理解为用电阻抑止浪涌电流。通常，这种负载开关电路，设计时，分压电阻是为了防止V_GS的最大电压超过额定的最高电压，串联在G极的电阻调节MOSFET的开通速度。在保证要求的开通速度条件下，V_GS不能超过最大额定电压时，可以适当提高电阻值，这样，在正常的工作状态下，MOSFET完全导通后，减小产生的静态损耗。

3、在AO3401规格书的第1页有写operation with gate votages as low as2.5V，是否是要求G极电压必须大于2.5V? V_GS必须小于-2.5V？设计V_GS=-1.6V有没有问题？如果继续加大V_GS到-1V呢？是不是V_GS的大小没有关系，只要保证Rdson产生的功耗不要导致MOSFET过热就行，是否正确？
回复：不能那么认为，这句话的含义是：AO3401可以工作在V_GS＝-2.5V，此时，导通电阻约为120mOhm。如果V_GS电压太小，低于阈值电压V_GS(th)，AO3401可能无法完全开通，无法正常工作。还是建议将V_GS设计在-2.5V以上，如-3.5V左右，通过调节（增加）R45/46和C18来降低冲击电流。 

问题13：使用如下电路，用CPU的GPIO口直接控制一个MOSFET管，MOSFET作为后端负载的开关，这种应用有什么风险？

回复：检查VCC以及MR34/MR35分压后的电压值VGS，VGS绝对值要比MQ1的VTH高，才能保证MOSFET完全打开，否则后面的系统可能不工作；同时，检查GPIO口的驱动能力，是否满足驱动的要求。如果很小，最好用GPIO口驱动一个三极管的B极，三极管的集电极C下拉MOSFET的G极。

由实际的浪涌电流，再调整MC11值，以及MR34/MR35值。在PCB设计时，MQ1的D，S用大铜皮连接，如果多层板，在多个层放铜皮，用多个过孔，分别进行连接。

问题14：想请教一个有关MOSFET的关断时DS电压振荡的问题，在同一个电路上测试了两个不同厂商的30V的MOSFET，得到了关断时不同的DS电压波形，如下图。可以看到器件1的尖峰较高，但是振荡抑制的很快；器件2的尖峰较低，但是振荡抑制的较慢。因为是在同一块PCB上测量的，所以电路的寄生电感，电阻等参数是不变的，现在只有器件不同。这种尖峰是电路上的寄生电感和MOSFET的电容谐振引起，但是不明白具体是这两个器件哪个参数的差别，会使得这种振荡表现这么不同。是否能够从器件数据的某些参数对比来选择一款实际应用峰值较低，振荡又能快速消除的MOSFET呢？

回复：这样的振荡波形，对于一个电源的工程师来说，经常看到，在这里，首先谈一下测量方法的问题：

（1）如同测量输出电压的纹波一样，所有工程师都知道，要去除示波器探头的帽子，直接将探头的信号尖端和地线接触被测量位置的两端，减小地线的环路，从而减小空间耦合的干扰信号。

（2）带宽的问题，测量输出电压纹波的时候，通常用20MHZ的带宽，但是，测量MOSFET的VDS电压时候，用多少带宽才是正确的测量方法？事实上，如果用不同的带宽，测量到的尖峰电压的幅值是不同的。

具体原则是：①确定被测量信号的最快上升Tr和下降时间Tf；②计算最高的信号频率：f=0.5/Tr，Tr取测量信号的10%~90%；f=0.4/Tr，Tr取测量信号的20%~80%；③确定所需的测量精确度，然后计算所需的带宽。

在上图波形中，被测量信号最快的下降时间为2ns（10%~90%），判断一个高斯响应示波器在测量被测数字信号时所需的最小带宽：f=0.5/2ns=250MHz。

若要求3%的测量误差：所需示波器带宽=1.9*250MHz=475 MHz；若要求20%的测量误差：所需示波器带宽=1.0*250MHz =250MHz。因此，决定示波器带宽的重要因素是：被测信号的最快上升时间。注意：示波器的系统带宽由示波器带宽和探头带宽共同决定。

    高斯频响的系统带宽：( 示波器带宽² +探头带宽²)^1/2/2

    最大平坦频响系统带宽：min(示波器带宽，探头带宽)

VDS的振荡波形由PCB寄生回路电感和MOSFET的寄生电容形成高频谐振而产生的，在寄生电感值一定的条件下，寄生电容越小，振荡的频率越高，幅值也越高，同时，振荡的幅值和回路的初始电流值相关。特别注意的是：寄生电容Coss不是线性的，随着电压的增大而减小，因此，可以的看到波形振荡的频率并不是固定的。

VDS的高频振荡是无法消除的，增加Coss或在D、S极外部并联电容，可以降低振荡的频率和幅值，Snubber电路也是利用这个原理，抑制电压的尖峰。

图文转载自公众号：松哥电源