MOSFET分析：選擇一款節(jié)能、高效的MOSFET

前不久，能源之星發(fā)布了2.0版外部電源能效規(guī)范。新規(guī)范大幅提高了工作頻率要求，同時(shí)進(jìn)一步降低待機(jī)功耗要求。例如，為了滿足新規(guī)范，2.5W（5V，0.5A）外部電源的最低效率必須達(dá)到72.3%，新規(guī)范要求空載功耗應(yīng)低于300mW，這些都比目前使用的規(guī)范有了大幅提高。不僅是外部電源，很多手持式產(chǎn)品及家電產(chǎn)品，同樣面臨著低功耗的考驗(yàn)。以手機(jī)為例，隨著智能手機(jī)的功能越來(lái)越多，低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一個(gè)越來(lái)越迫切的問(wèn)題。

面對(duì)這種降低功耗、提高能效的趨勢(shì)要求，設(shè)計(jì)工程師必須從源頭開(kāi)始，為自己的設(shè)計(jì)盡可能地選擇節(jié)能、高效的器件。而高能效的功率半導(dǎo)體可以幫助工程師縮短相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)程，并能輕易達(dá)到系統(tǒng)的規(guī)格需求。MOSFET作為功率半導(dǎo)體的一種，在很多系統(tǒng)中都有應(yīng)用，如：便攜設(shè)備、消費(fèi)類電源適配器、計(jì)算機(jī)主板、LCD顯示器、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、汽車(chē)電子以及照明等領(lǐng)域。尤其是在DC/DC轉(zhuǎn)換器中，功率MOSFET的選擇將對(duì)電源的效率有關(guān)鍵的影響。下面，將介紹幾款應(yīng)用在不同領(lǐng)域的MOSFET，它們無(wú)論在導(dǎo)通電阻還是開(kāi)關(guān)速度上，都具有出色的表現(xiàn)。

MOSFET的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)

MOSFET是英文Metal Oxide Semicoductor Field Effect Transistor的縮寫(xiě)，譯成中文是“金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管”。它是由金屬、氧化物(SiO2或SiN)及半導(dǎo)體三種材料制成的器件。按溝道半導(dǎo)體材料的不同，MOSFET分為N溝道和P溝道兩種。所謂功率MOSFET(Power MOSFET)是指它能輸出較大的工作電流(幾安到幾十安)，用于功率輸出級(jí)的器件。

MOSFET的參數(shù)中，主要考慮的有三大參數(shù)：最大耐壓、最大電流能力及導(dǎo)通電阻。導(dǎo)通電阻（RDSON）是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，導(dǎo)通電阻越小，則傳導(dǎo)損耗越小。但是，只考慮導(dǎo)通電阻還不夠，因?yàn)?，功率MOSFET主要的損耗來(lái)源有三個(gè)：(1)導(dǎo)通電阻造成導(dǎo)通損耗；(2)閘極電荷造成驅(qū)動(dòng)電路上的損耗及切換損耗；(3)輸出電容在截止/導(dǎo)通的過(guò)程中造成功率MOSFET的儲(chǔ)能/耗能。因此，選擇一款節(jié)能、高效的MOSFET，需要考慮多種原因及應(yīng)用領(lǐng)域。

在業(yè)界，MOSFET有一個(gè)普適的性能測(cè)量基準(zhǔn)，即品質(zhì)因數(shù)(FOM)，品質(zhì)因數(shù)可以用導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）和柵極電荷(Qg)的乘積來(lái)表示，即FOM = RDS(ON)×Qg。RDS(ON)直接關(guān)系到傳導(dǎo)損耗，Qg直接關(guān)系到開(kāi)關(guān)損耗，因此，F(xiàn)OM值越低，器件性能就越好。

幾款高效、低損耗MOSFET

英飛凌公司的SuperS08無(wú)鉛封裝的40V、60V和80V OptiMOS 3 N溝道MOSFET系列，具有極低的導(dǎo)通電阻。其40V系列具備最低1.8mΩ的導(dǎo)通電阻，60V系列具備最低2.8mΩ的導(dǎo)通電阻，80V系列具備最低4.7mΩ的導(dǎo)通電阻。這些器件的FOM與采用標(biāo)準(zhǔn)TO封裝的同類產(chǎn)品相比高出25%，能夠更快速實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)，同時(shí)最大程度降低開(kāi)關(guān)損耗和柵極驅(qū)動(dòng)損耗，提高功率密度，降低驅(qū)動(dòng)器散熱量。SuperSO8封裝寄生電感不到0.5nH，比TO-220封裝的5～10nH電感低很多，這進(jìn)一步提升了器件整體效率，最大程度上減少在開(kāi)關(guān)條件下的振蕩現(xiàn)象。OptiMOS 3 40V、60V和80V產(chǎn)品適用于需要高效率和功率密度的功率轉(zhuǎn)換和電源管理應(yīng)用，包括眾多產(chǎn)品的SMPS(開(kāi)關(guān)模式電源)、DC/DC轉(zhuǎn)換器和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。這些產(chǎn)品包括計(jì)算機(jī)、家用電器、小型電動(dòng)車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、電信設(shè)備和電動(dòng)工具、電動(dòng)剪草機(jī)和風(fēng)扇等消費(fèi)類電子設(shè)備。

意法半導(dǎo)體(ST)在MOSFET產(chǎn)品上也有自己獨(dú)到的技術(shù)，其STripFET技術(shù)利用非常高的等效單元密度和更小的單元特征尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)極低的導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)損耗，STripFET V是最新一代的STripFET技術(shù)?；谠摷夹g(shù)的兩款MOSFET STD60N3LH5和STD85N3LH5,擁有極低的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。在一個(gè)典型的穩(wěn)壓模塊內(nèi)，兩種損耗的減少可達(dá)3W。該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的品質(zhì)因數(shù)FOM。兩款產(chǎn)品都是30V（BVDSS）器件。STD60N3LH5柵極電荷量（Qg）為8.8nC，在10V電壓時(shí)，導(dǎo)通電阻為7.2mΩ，是非隔離DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器中控制型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的理想選擇。STD85N3LH5在10V電壓時(shí)，導(dǎo)通電阻為4.2mΩ，柵電荷量為14nC，是同步場(chǎng)效應(yīng)晶體管的極佳選擇。兩款產(chǎn)品都采用DPAK和IPAK封裝。

威世(Vishay Intertechnology)的20V N溝道器件SiR440DP，擴(kuò)展了其第三代TrenchFET功率MOSFET系列。該器件采用PowerPAK SO-8封裝，在4.5V柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)最大導(dǎo)通電阻為2.0mΩ，在10V柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)最大導(dǎo)通電阻為1.55mΩ。在DC/DC應(yīng)用中，該MOSFET具有極好的品質(zhì)因數(shù)，在 4.5V時(shí)為87。SiR440DP在同步降壓轉(zhuǎn)換器以及二級(jí)同步整流及OR-ing應(yīng)用中用做低端MOSFET。其低傳導(dǎo)及切換損耗將確保穩(wěn)壓器模塊(VRM)、服務(wù)器及使用負(fù)載點(diǎn)(POL)功率轉(zhuǎn)換的諸多系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功效更高且更節(jié)省空間的設(shè)計(jì)。