精品文檔-下載后可編輯分析功率MOS管RDS負溫度系數(shù)對負載開關(guān)設(shè)計的影響-設(shè)計應(yīng)用mos管是金屬（metal）—氧化物（oxid）—半導(dǎo)體（semiconductor）場效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬—絕緣體（insulator）—半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個兩個區(qū)是一樣的，即使兩端對調(diào)也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。

功率MOS管的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，能夠自動均流，因此可以并聯(lián)工作。從MOSFET數(shù)據(jù)表的傳輸特性可以看到，25℃和175℃的VGS電壓與ID電流值有一個交點，此交點的VGS為轉(zhuǎn)折電壓。在VGS轉(zhuǎn)折電壓以下的部分，RDS（ON）為負溫度系數(shù)；而在VGS轉(zhuǎn)折電壓以上的部分，RDS（ON）為正溫度系數(shù)，這樣的特性要求在設(shè)計過程中，要特別考慮VGS在轉(zhuǎn)折電壓以下的工作區(qū)域[1-2]。

在LCDTV及筆記本電腦的主板上，不同電壓的多路電源在做時序的切換。此外，這些電源通常后面帶有較大的電容，可限制電容在充電過程中產(chǎn)生的浪涌電流，以保護后面所帶的負載芯片的安全。因此，在這些不同電壓的多路電源主回路中通常插入由功率MOS管分立元件組成的負載開關(guān)電路。在這個電路中，功率MOS管有很長一段時間工作于VGS轉(zhuǎn)折電壓以下的RDS（ON）為負溫度系數(shù)的區(qū)域，因此要優(yōu)化相關(guān)外圍電路元件參數(shù)的選擇。

雙極型晶體管把輸入端電流的微小變化放大后，在輸出端輸出一個大的電流變化。雙極型晶體管的增益就定義為輸出輸入電流之比（beta）。另一種晶體管，叫做場效應(yīng)管（FET），把輸入電壓的變化轉(zhuǎn)化為輸出電流的變化。FET的增益等于它的transconductance，定義為輸出電流的變化和輸入電壓變化之比。

場效應(yīng)管的名字也于它的輸入端（稱為gate）通過投影一個電場在一個絕緣層上來影響流過晶體管的電流。事實上沒有電流流過這個絕緣體，所以FET管的GATE電流非常小。普通的FET用一薄層二氧化硅來作為GATE極下的絕緣體。這種晶體管稱為金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）晶體管，或，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）。因為MOS管更小更省電，所以他們已經(jīng)在很多應(yīng)用場合取代了雙極型晶體管。

1分立元件組成的負載開關(guān)電路及工作原理

分立元件組成的負載開關(guān)電路原理如圖1所示，

圖1（b）中，開通過程充電回路為C1、R2//R1，放電回路為C1、R1。圖1（a）的充放電的電阻是獨立的，因此可以方便地選擇相關(guān)的值。圖1（b）中，充電回路的電阻為R2和R1并聯(lián)值，因此參數(shù)的計算較復(fù)雜，主要應(yīng)用于高輸入電壓值的電路中，通過R1和R2分壓設(shè)定的G極電壓值。

2負溫度系數(shù)局部過熱

在開通過程中，VGS的電壓從閾值電壓增加到米勒平臺電壓的時間與G極的充電電流、輸入電容相關(guān)；米勒平臺的時間與G極的充電電流、米勒電容相關(guān)。這兩個時間段內(nèi)都會產(chǎn)生開關(guān)損耗，米勒平臺電壓的時間約為21ms，在這種控制輸入的浪涌電流的應(yīng)用中，要求功率MOS管有相當長的一段時間內(nèi)工作于放大區(qū)，也就是從導(dǎo)通到米勒平臺結(jié)束的時間內(nèi)，功率MOS管都工作于放大區(qū)。

由于功率MOS管的傳輸特性和溫度對其傳輸特性的影響，VGS有一個轉(zhuǎn)折電壓，在開通的過程中，RDS（on）從負溫度系數(shù)區(qū)域向正溫度系數(shù)區(qū)域跨越，而在關(guān)斷過程中，RDS（on）從正溫度系數(shù)區(qū)域向負溫度系數(shù)區(qū)域跨越。事實上，在功率MOS管內(nèi)部，由大量的晶胞并聯(lián)而成，各個晶胞單元的RDS（on）在開關(guān)過程中，動態(tài)的跨越負溫度系數(shù)區(qū)域的時候，會產(chǎn)生局部過熱。當某個區(qū)域單元的溫度較高時，其導(dǎo)通壓降降低，周邊的電流都會匯聚在這個區(qū)域，產(chǎn)生電流的涌聚，也就產(chǎn)生部分區(qū)域熱點。另外，由于硅片單元特性及結(jié)構(gòu)不一致性、封裝時硅片與框架焊接結(jié)面局部的空隙，容易形成局部的大電流的單元（即熱點），其自身的溫度增加，同時也使其鄰近的單元的溫度增加[3]。

AO4407A的數(shù)據(jù)表轉(zhuǎn)折電壓大于5V，在轉(zhuǎn)折點處，器件的增益與溫度無關(guān)，溫度系數(shù)為0，AO4407A用于負載開關(guān)。米勒平臺電壓約為3V，低于5V，這表明功率MOS強迫工作于線性模式（即放大區(qū)）時，其RDS（on）工作于負溫度系數(shù)區(qū)。

當內(nèi)部產(chǎn)生熱不平衡時，局部溫度升高，導(dǎo)致這些區(qū)域的VGS降低。而流過這些區(qū)域單元的電流卻進一步增加，使功耗增加，進而促使溫度又進一步上升。其溫度上升取決于功率脈沖電流的持續(xù)時間、散熱條件和功率MOS單元的設(shè)計特性，熱失衡導(dǎo)致大電流集中到一個局部區(qū)域，形成熔絲效應(yīng)，產(chǎn)生局部熱點，導(dǎo)致這些區(qū)域單元的柵極失控，功率MOS內(nèi)部寄生的三極導(dǎo)通，從而損壞器件。

3設(shè)計參數(shù)優(yōu)化及器件選擇

3.1封裝及熱阻的影響

基于圖1（a）的電路圖，以AO4407A和AOD413A做對比實驗，輸入電壓為12V，兩個元件的參數(shù)如表1所示。AO4407A的封裝為SO8，AOD413A封裝為TO252。AOD413A的封裝體積大，其熱阻小，允許耗散的功率大。由于C1遠大于兩個元件的輸入電容，C2遠大于兩個元件的米勒電容，因此在電路中，元件本身的輸入電容和米勒電容可以忽略。如果外部的元件參數(shù)相同，在電路中用AO4407A和AOD413A，則兩者基本上具有相同的米勒平臺的時間，如圖2（a）、（b）所示。

為了對比AOD413A和AO4407A抗熱沖擊的能力，延長米勒平臺的時間到2.5s，即將R2的電阻增大到910k?贅，C2電容增大到3.1μF。在此條件下做對比實驗，AO4407A的電路開關(guān)1～2次就損壞了，因AO4407A的熱阻較高為40℃/W。而AOD413A的電路開關(guān)多次，仍然可以正常工作。因為AOD413A具有較低的熱阻（25℃/W）和較大的耗散功率，因此，在較長的米勒平臺的時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量可以充分的消散，局部過熱產(chǎn)生的熱不平衡的影響減小。實驗波形如圖2（c）、（d）所示。

3.2閾值電壓的影響

通常對于功率MOS管，不同的閾值電壓對應(yīng)于不同的轉(zhuǎn)折電壓，閾值電壓越低，轉(zhuǎn)折電壓也越低。選用AO4403和AO4407A作對比實驗，均為SO8封裝，閾值電壓不同，兩個MOS管具體的參數(shù)如表2所示。輸入電壓為12V，R2=100kΩ，C2=1μF，可以看到兩者具有相同的2.7A浪涌電流，AO4403的米勒平臺時間約為124ms，米勒平臺電壓為-1V；AO4407A的米勒平臺時間約為164ms，米勒平臺電壓為-3.6V。因此，同樣的外部參數(shù)，由于AO4403具有低閾值電壓，米勒平臺時間短，使得開通過程中產(chǎn)生的損耗減小，從而減小了系統(tǒng)的熱不平衡，提高了系統(tǒng)的可靠性。實驗波形如圖2（e）、（f）所示。

基于電路圖1（b）進一步做實驗，輸入電壓為12V，使用AO4449參數(shù)，R1=47kΩ，R2=15kΩ，對應(yīng)于不同的C1和CO的實驗結(jié)果如表3所示。輸出的電容越大，浪涌電流也越大。為了達到同樣限定的浪涌電流值，使用C1的電容值越大，浪涌電流越小，但消耗的功率增加，功率MOS管的溫升也增加，使MOS管內(nèi)部晶胞單元的熱不平衡越大，也越容易損壞管子。

（1）功率MOS管導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)對應(yīng)的VGS有一個轉(zhuǎn)折電壓，在轉(zhuǎn)折電壓以下，為負溫度系數(shù)，無法自動平衡均流；在轉(zhuǎn)折電壓以上，為正溫度系數(shù)，可以自動平衡均流。

（2）功率MOS管在開關(guān)的過程中要跨越正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)區(qū)，并在米勒