教你如何成为MOS管选型的专家

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下面是关于VGSth（栅极到源极阈值电压）和VGS（栅极电压）之间的区别以及如何选择VGS、理解VGSTH等方面的详细说明。

VGSth和VGS的区别

1. 定义

• VGSth（栅极到源极阈值电压）：是MOSFET开始导通所需的最小栅极电压。当VGS达到VGSth时，MOSFET从截止状态转变为导通状态。VGSth是MOSFET的一个特性参数，通常在器件的数据手册中给出，且会受到结温、漏极电压和漏极电流的影响。
• VGS（栅极电压）：是实际施加在栅极与源极之间的电压。VGS是动态的，可以在电路中根据需要进行调节。VGS的值必须高于VGSth，以确保MOSFET能够导通。

2. 理解VGSTH

VGSTH是器件导通的起始条件。设计中应确保在电路正常工作时，施加的VGS能有效超过VGSth。通常情况下，VGSth会随着温度和漏极电流的变化而变化，因此理解VGSTH的意义在于：

• 确保可靠性：了解VGSTH可以帮助设计者确保MOSFET在各种工作条件下均能可靠导通。
• 选择合适的工作点：设计者可以在电路中选择合适的VGS，以确保MOSFET能在目标工作点有效导通。

3. VGS电压的选择

选择VGS电压时，应参考MOSFET的输出特性曲线以及漏极电流ID与结温的关系曲线，具体步骤如下：

1. 计算漏极电流（ID）：根据电路的工作条件，使用欧姆定律或基尔霍夫电压定律计算漏极电流。
2. 查阅输出特性曲线：在MOSFET的数据手册中查找输出特性曲线，了解在不同的VGS下，MOSFET的ID表现。通过这些曲线可以确定所需的VGS以实现所需的ID。
3. 参考结温关系曲线：查看漏极电流ID和结温的关系曲线，获取不同结温下所需的VGS。这可以确保在极端条件下MOSFET仍能导通。

4. VGSTH对米勒平台的影响

米勒平台是MOSFET在导通和关断过程中，栅极电压与漏极电压变化所引起的反馈效应。设计时需考虑：

• 米勒效应：当VGS接近VGSth时，MOSFET可能会进入一个高阻抗状态，此时会出现较大的栅极电荷，这可能导致VGS在快速切换时不能迅速改变，从而影响开关速度和效率。
• 确保VGS高于米勒平台：将VGS设置在米勒高原上方可以减少这种影响，从而确保MOSFET快速可靠地切换。

5. VGS为何设置在米勒高原上方

将VGS设置在米勒高原上方的原因主要有：

• 避免导通不完全：确保在开关过程中MOSFET能够完全导通，避免进入亚阈值区间，导致热量产生和效率降低。
• 提升开关速度：通过避免米勒效应引起的栅极延迟，可以提高开关速度，降低开关损耗。

6. VGS设计的余量确定

设计VGS的余量时，考虑以下因素：

1. 工作条件的极限：考虑在高温或高漏极电流情况下，VGSth可能会有所变化，设计时应留有足够的余量。
2. 安全余量：一般情况下，建议在VGS上增加30%的安全余量。例如，如果VGSth为3.3V，可以考虑将VGS设置为4.29V，以保证在不同工作条件下的可靠性。
3. 考虑驱动电压：根据驱动电路的能力，选择合适的VGS。确保驱动电压能够迅速达到所需的VGS水平，尤其是在快速开关应用中。

7. 结论

了解和正确应用VGSth和VGS是设计高效、可靠的MOSFET电路的关键。通过适当的计算和选择，可以确保MOSFET在各种工作条件下能够可靠导通，提高电路的整体性能。

漏源导通电阻（RDS(on)）是MOSFET在导通状态下，漏极到源极的等效电阻。它是评估MOSFET性能的重要参数之一，特别是在电源应用中，RDS(on)直接影响传导损耗、功耗以及系统效率。下面将详细介绍RDS(on)的定义、选择和影响因素。

漏源导通电阻（RDS(on)）的定义

RDS(on) 是MOSFET在导通时的漏极到源极电阻，通常在特定的栅极电压（VGS）和漏极电流（ID）条件下测量。较低的RDS(on)意味着较低的导通损耗，从而提高系统效率并减少热量产生。

1. RDS(on)的影响因素

1.1 VGS的影响

• VGS对RDS(on)的影响：RDS(on)与VGS有直接关系。通常情况下，随着VGS的增加，RDS(on)会降低。这是因为较高的VGS使MOSFET进入更深的导通状态，从而降低漏极到源极的电阻。
• 选择VGS：在设计电路时，应确保VGS足够高，以使RDS(on)达到最低值，从而减少导通损耗。

1.2 ID的影响

• ID对RDS(on)的影响：RDS(on)也会随漏极电流ID的变化而变化。一般来说，在较高的ID下，RDS(on)可能会略微增加。这是由于MOSFET的热效应和非线性特性导致的。
• 选择ID：在选择MOSFET时，应考虑其在实际工作条件下的ID，并查阅其数据手册中RDS(on)与ID的关系图。

1.3 结温（Tj）的影响

• RDS(on)与结温的关系：RDS(on)随着结温（Tj）的升高而增加。高的结温会导致MOSFET内阻上升，从而增加导通损耗。
• 结温的考虑：在设计中，必须考虑RDS(on)随温度变化的特性，确保在最大工作温度下仍能满足电流和效率的要求。

2. RDS(on)的选择

在选择RDS(on)时，可以参考数据手册中的图表，尤其是关于RDS(on)与VGS、ID、Tj之间关系的曲线。以下是选择RDS(on)的一般步骤：

1. 查阅数据手册：根据所选MOSFET的规格表，找到RDS(on)的定义和测量条件。
2. 查找VGS和ID的关系曲线：使用数据手册中的曲线图，确定在所需的VGS和ID下，RDS(on)的值。例如，如果你希望在00℃的结温下工作，找出相应的VGS和ID下的RDS(on)值。
3. 考虑温度影响：根据工作环境的最高结温，调整RDS(on)的选择。确保在最大工作温度下RDS(on)能够接受，避免过热。

3. 结温与ID的关系

在数据手册中，通常会有结温与漏极电流（ID）的关系曲线。这些曲线可以帮助设计者了解在不同的工作条件下，MOSFET的导通电阻如何变化。重要的是要注意以下几点：

• 确保RDS(on)在设计温度范围内：根据温度变化对RDS(on)的影响，确保在实际工作条件下，MOSFET能在安全范围内运行。
• 设计余量：在选择RDS(on)时，考虑到热影响和负载变化，留有一定的设计余量，以确保可靠性和效率。

4. 示例

例如，考虑使用一个RDS(on)为5.5mΩ的MOSFET，在特定条件下（如VGS=10V、ID=50A、Tj=25℃）。在实际设计中，如果结温提高至80℃，应参考数据手册中的RDS(on)随Tj变化的曲线，可能需要考虑新的RDS(on)值，从而影响功耗和热管理策略。

通过了解和合理选择RDS(on)，设计者可以显著提高电源应用中的效率和性能，降低热损耗，确保系统的稳定性。

连续漏极电流（ID）

定义与意义：
连续漏极电流（ID）是指MOSFET在正常工作条件下可以承受的最大连续电流。超过这个值，MOSFET可能会因过热而损坏。了解ID的规格对电路设计至关重要，以确保MOSFET在工作过程中不会过载。

选择ID时的考虑因素：

1. 应用场景：
   • ID的选择应基于具体的应用需求。例如，电源开关、马达驱动或LED驱动等应用可能需要不同的ID规格。
2. 安全裕度：
   • 在设计中，建议将实际工作电流设定为ID的70%-80%，以避免温升过高和设备损坏。例如，如果MOSFET的最大ID为30A，可以将设计中的实际电流设置为20A。
3. 环境温度：
   • MOSFET的ID通常是基于特定的结温（Tj）条件（如25°C）给出的。在较高的环境温度下，ID值应适当降低。可以参考Datasheet中的结温曲线，找到合适的ID值。

ID与其他参数的关系：

1. 与VGS的关系：
   • VGS是控制MOSFET导通的栅极电压。通常，随着VGS的增加，ID会增加。这是因为更高的VGS值会使MOSFET导通更好，漏极电流增大。
   • 应确保VGS高于阈值电压（VGS(th)）以使MOSFET能够导通。
2. 与VDS的关系：
   • VDS是漏极与源极之间的电压。ID通常在VDS增加时会有所变化。对于特定的VGS值，VDS越高，ID可能越大（在一定范围内）。
   • 然而，如果VDS过高而导致MOSFET进入饱和区，ID可能会不再线性增加。

实际应用示例：

• 假设使用某种MOSFET的ID值为30A，设计中的电流需求为20A，建议的VGS设置为10V，以确保MOSFET在导通状态下的最佳性能。在环境温度达到85°C时，可能需要参考Datasheet中的结温曲线来确认在该温度下的ID极限。

总结：

在选择连续漏极电流（ID）时，考虑电流需求、安全裕度、环境温度和与VGS、VDS的关系是至关重要的。这将帮助设计出稳定可靠的电路，确保MOSFET在安全范围内工作。

脉冲漏极电流（ID脉冲）

定义与意义：
脉冲漏极电流（ID脉冲）是指MOSFET在特定短时间内能够承受的最大脉冲电流。此参数通常用于处理瞬态电流或电流浪涌的情况，例如在电源开机或负载变化时的瞬时高电流。脉冲电流一般比连续电流高，且允许持续的时间通常较短。

如何选择ID脉冲：

1. 参考Datasheet：
   • 在选择ID脉冲时，应参考MOSFET的Datasheet，其中会提供ID脉冲的最大值。Datasheet通常会给出允许的脉冲电流和脉冲持续时间。
2. 考虑电流浪涌的特性：
   • 在实际应用中，启动时可能会遇到高浪涌电流。选择ID脉冲值时，通常建议将其设置为连续漏极电流（ID）的1.5倍到2倍。这是为了确保在启动时能够处理瞬时高电流而不造成MOSFET的损坏。
3. 脉冲持续时间与温度影响：
   • 脉冲持续时间越长，所允许的ID脉冲值可能需要越小，因为热积累效应会影响MOSFET的性能。在设计时，需确保脉冲电流在允许的时间范围内，以免导致过热。
4. 安全裕度：
   • 在选择ID脉冲时，保持适当的安全裕度是必要的。例如，如果连续电流为20A，则可以将脉冲电流设置为30A至40A，确保在浪涌期间不超过这些值。

实际应用示例：

• 假设某MOSFET的连续漏极电流（ID）为20A，Datasheet中指定的脉冲漏极电流（ID脉冲）为30A，允许的脉冲持续时间为100μs。在启动时，可能会遇到40A的浪涌电流，只要脉冲持续时间在允许范围内，且未超过ID脉冲的最大值，MOSFET就能安全工作。

总结：

在选择脉冲漏极电流（ID脉冲）时，应根据Datasheet提供的最大值、应用中的浪涌电流情况、脉冲持续时间和安全裕度进行合理选择。通常建议ID脉冲设置为最大电流的1.5倍到2倍，以确保MOSFET在高电流脉冲情况下的可靠性和安全性。

栅极到源极电压（VGS）

定义与意义：

• 栅极到源极电压（VGS）是指施加在MOSFET的栅极和源极之间的电压。VGS必须高于阈值电压（VGS(th)）才能使MOSFET导通。VGS的设置需谨慎，以避免损坏器件。

VGS选型参数注意事项：

1. 选择范围：
   • VGS应该高于VGS(th)，但应低于制造商规定的最大VGS值（通常是±20V）。过高的VGS可能导致栅极损坏。
2. 额定电压：
   • 根据实际应用，确保VGS能够在工作条件下保持所需的导通状态。一般情况下，栅极电压设置在VGS(th)的1.5到2倍以上，以确保MOSFET稳定导通。
3. 栅极电荷（QG）：
   • 确保控制电路能够提供足够的栅极电流以快速充放电，尤其是在开关频率较高的应用中。栅极电荷会影响开关速度和功耗。
4. 环境温度：
   • 关注工作环境温度的影响，高温可能导致VGS(th)的变化，因此选择时应考虑温度变化对阈值电压的影响。

漏源电压（VDS）与漏源击穿电压（V(BR)DSS）

定义与意义：

• 漏源电压（VDS）是指施加在MOSFET的漏极与源极之间的电压。V(BR)DSS是指在关断状态下，MOSFET能够承受的最大漏源电压。

VDS选型参数注意事项：

1. 选择范围：
   • VDS的选择应低于V(BR)DSS，确保在应用中不会超过漏源击穿电压。通常选择的VDS应远低于最大额定值，以提供额外的安全裕度。
2. 感性负载的考虑：
   • 对于驱动继电器等感性负载的应用，关断时可能会产生反向电压尖峰，此时可能会超过VDS的额定值，因此建议在漏极和源极之间增加一个反向二极管，以保护MOSFET。
3. 反向二极管：
   • 在感性负载情况下，反向二极管可提供电流回流的路径，防止电压尖峰损坏MOSFET。选择反向二极管时，应确保其耐压和电流额定值能够满足应用需求。

V(BR)DSS选择

• V(BR)DSS的选择：
  • 选择V(BR)DSS时，应根据实际工作电压情况，通常选择的值应高于最大工作电压（包括任何可能的浪涌电压），例如，对于高压应用，可能需要选择V(BR)DSS大于工作电压的1.5倍。

总结

在选择VGS和VDS参数时，必须确保器件在安全范围内工作，并充分考虑实际应用中的电流、温度及反向电压特性。为保证MOSFET的可靠性和稳定性，适当的设计余量和保护措施（如反向二极管）是至关重要的。

功耗的理解与计算

定义：

• 功耗是指MOSFET在工作过程中消耗的功率，通常以瓦特（W）为单位表示。功耗会导致器件发热，因此有效管理功耗是确保MOSFET可靠运行的关键。

功耗计算公式：
功耗的计算基于结温（TJ）、环境温度（Tamb）、外壳温度（Tc）和热阻（Rth）。功耗的计算公式可以表示为：

各参数说明：

• TJ max: 数据手册中给出的最大结温，通常是器件能够承受的最高温度，超过此温度可能导致器件损坏。
• Tamb max: 最高工作环境温度，即MOSFET在正常工作状态下的最大环境温度。
• Tc max: 最大外壳温度，器件外壳的最高安全温度。
• Rth JA: 从结到环境的热阻，表示器件内部发热量传递到环境的难易程度，单位为°C/W。热阻越小，散热性能越好。
• Rth JC: 从结到外壳的热阻，表示器件内部结温和外壳之间的温差，单位为°C/W。

功耗计算示例

假设有以下数据：

• TJ max = 150°C
• Tamb max = 85°C
• Rth JA = 50°C/W

根据以上数据，我们可以计算功耗能力：

这意味着在最高环境温度85°C下，MOSFET的最大功耗能力为1.3W。

温度和功耗图

Datasheet通常会提供与功耗相关的温度图，这些图表通常显示在不同的环境温度和结温条件下，MOSFET的最大功耗能力。通过这些图表，可以更直观地了解功耗与温度之间的关系，以便进行更精准的设计和选择。

工作和储存温度

• 工作温度范围：指定MOSFET在正常操作下的安全温度范围，超出此范围会损坏器件。
• 储存温度范围：指未运行时MOSFET可以安全存储的温度范围。储存温度范围通常与工作温度范围相同。

小结

理解MOSFET的功耗计算和管理是确保器件性能和可靠性的关键。通过合理的功耗设计和适当的散热措施，可以有效降低器件温度，延长其使用寿命。确保在设计中考虑功耗和温度参数，可以帮助避免潜在的器件损坏风险。

热特性

热特性是MOSFET Datasheet中非常关键的参数，主要用于评估器件在工作时的温度管理和功耗能力。以下是热特性中常见的几个重要参数：

1. 热阻（Rth）

• RthJC（结到外壳的热阻）：表示从MOSFET的结（内部）到外壳（表面）的热阻，通常在器件安装到散热器的理想条件下使用。它是散热性能的关键参数，通常以°C/W为单位表示。
• RthJA（结到环境的热阻）：表示从MOSFET的结到周围环境的热阻，适用于未安装到散热器的情况。RthJA受安装方式、散热面积等因素的影响。

2. 功耗计算

在设计中，使用热阻来计算MOSFET的功耗能力，以确保器件在最大结温下不会过热。功耗的计算公式为：

[
P_{\text{diss}} = \frac{(T_{J , \text{max}} – T_{amb})}{R_{th , JA}} \quad \text{或} \quad P_{\text{diss}} = \frac{(T_{J , \text{max}} – T_{c})}{R_{th , JC}}
]

动态特性

动态特性是指MOSFET在开关过程中表现出的参数，这些参数对于高频应用和开关损耗的计算至关重要。以下是常见的动态参数：

1. 输入电容（Ciss）

• 输入电容是MOSFET的栅极对源极和漏极的等效电容，主要影响开关速度和开关损耗。较小的输入电容有助于提高开关速度，降低开关损耗。

2. 输出电容（Coss）

• 输出电容是MOSFET的漏极对源极的等效电容，影响MOSFET在关断时的反向恢复特性。通常在开关频率较高的应用中需关注此参数。

3. 上升时间（t_r）和下降时间（t_f）

• 上升时间是指MOSFET从关断到导通的时间，下降时间是指MOSFET从导通到关断的时间。较短的上升和下降时间可以降低开关损耗，但可能导致更高的电磁干扰（EMI）。

4. 总栅极电荷（Qgs和Qgd）

• 总栅极电荷是控制MOSFET开关所需的总电荷量，通常以纳库仑（nC）为单位表示。较小的总栅极电荷有助于降低驱动电路的功耗，提高开关速度。

参数选择示例

选择输入电容（Ciss）

• 在设计中，选择输入电容时，考虑开关频率和驱动电路的能力。对于高频应用，应选择较小的Ciss以降低开关损耗。例如，如果Ciss为100nF，选择适当的驱动电流可以确保快速开关。

选择上升和下降时间（t_r和t_f）

• 上升和下降时间应根据应用的工作频率来选择。如果工作频率为100kHz，考虑到较低的开关损耗，可以选择t_r和t_f均在几十纳秒的范围内。

选择总栅极电荷（Qg）

• 根据驱动电路的能力选择Qg。例如，如果Qg为15nC，使用适当的驱动电压和电流可以确保快速开关并减少损耗。

小结

热特性和动态特性对MOSFET的性能至关重要。了解这些参数可以帮助设计师在实际应用中选择合适的MOSFET，以确保高效和可靠的工作性能。在设计时，除了关注额定值外，还需考虑散热、开关损耗和电磁兼容性等因素，以实现最佳设计方案。

安全工作区

安全工作区（Safe Operating Area，SOA）是描述MOSFET在一定电压和电流条件下的安全工作状态的图表。该图表通常包含漏源电压（V_DS）、漏极电流（I_D）以及相应的工作时间（t）等信息。设计时，确保工作点处于SOA内，可以避免MOSFET因过载而损坏。

1. 安全工作区的定义

• SOA图表：在SOA图表中，通常有几个区域，表示器件的最大漏极电流和漏源电压的限制。不同区域代表不同的工作模式（如连续工作、脉冲工作等）。
• 实际工作点：在设计中，选择MOSFET时，工作点（V_DS, I_D）必须处于安全工作区内，以避免热失控或其他失效模式。

电流应力

电流应力是指MOSFET实际工作时所承受的电流与其额定电流的比值。电流应力可以通过以下公式计算：

建议：为了延长MOSFET的寿命，通常将电流应力限制在70%以下。

脉冲漏极电流

脉冲漏极电流是MOSFET在短时间内能够承受的最大电流值。在设计时，必须确保实际使用的脉冲电流不超过该值，以防设备损坏。

如何获得实际电流

1. 电流表法：将电流表串联到MOSFET的漏极。确保电流表的保险丝能够承受相应的电流水平。
2. 示波器法：使用带有电流探头的示波器，夹在连接到MOSFET漏极的导线上。设置示波器记录平均值（DC）或RMS值，以观察电流变化。

注意：电流表不适合测量脉冲漏极电流，示波器是更合适的设备。

电压应力

电压应力表示MOSFET承受的实际电压与其额定电压的比值。电压应力计算公式为：

应用到MOSFET

• 漏源电压（V_DS）：这是MOSFET在关断状态下可以承受的最大电压，必须小于其击穿电压。
• 栅源电压（V_GS）：这是MOSFET栅极与源极之间的电压，必须低于其最大栅极电压限制。

如何选择安全工作区和应力参数

1. 查看SOA图表：在选型时，查阅Datasheet中的SOA图，确保工作点（V_DS, I_D）位于安全区域内。
2. 计算电流应力和电压应力：
   • 使用实际电流和额定电流计算电流应力，确保电流应力低于70%。
   • 计算实际电压与额定电压的比值，确保电压应力低于100%。
3. 添加设计余量：在选择MOSFET时，适当增加额定值，以确保在极端条件下仍然能够稳定工作。

小结

在设计中，关注安全工作区、电流应力和电压应力是确保MOSFET稳定性和可靠性的关键。通过合理选择和计算这些参数，可以有效避免MOSFET损坏，从而提升整体电路的性能和可靠性。