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功率MOSFET线性区工作设计

发布时间:2018-11-28 责任编辑:xueqi

【导读】功率MOSFET有三个工作状态,在漏极导通特性曲线上,对应的是三个工作区:截止区,线性区和可变电阻区。注意到:MOSFET的线性区有时也称为:恒流区或饱和区。
 
1、概述
 
在笔记本电脑主板、LCDTV主板、STB机顶盒等电子系统应用中,内部有不同电压的多路电源,通常需要采用功率MOSFET作为负载切换开关,控制不同电压的电源的上电时序;同时还有USB接口,用于输出5V电压,这些电源通常后面带有较大的电容,也需要负载开关,限制后面电容在上电的过程中充电产生的大的浪涌电流,以保护后面所带的负载芯片的安全,同时不会导致前面的电源电压的跌落产生复位的问题。
 
笔记本电脑主板19V输入端,有二个背靠背的功率MOSFET,一个用于负载开关作软起动,限制浪涌电流,另一个用于防反接。
 
图1:笔记本电脑电源
 
图2:笔记本电脑主板输入电路
 
在通讯系统中,也广泛使用热插拨电路,由功率MOSFET组成的热插拨电路和上述的负载开关的功能类同。在这些应用中,通常在功率MOSFET的栅极和源极或栅极和漏极并联额外的电容,延长功率MOSFET在线性区的时间,以限制流涌的电流。从图7波形可以明显看到:功率MOSFET完全导通前,有比较长的一段时间工作于时间线性区。
 
图3:通信系统机房
 
图4:通信系统机柜板卡热插拨
 
图5:通信系统机柜
 
图6:通信系统板卡电路
 
图7:通信系统板卡热插拨波形
 
在电池保持板PCM过流关断的过程中,从波形可以看到:功率MOSFET同样也有较长的一段时间工作于线性区。
 
图8:电池保持板电路
 
图9:电池保持板关断波形
 
在一些输出电压需要低噪声的应用,如输出为12V、24V的供电电源,通常在开关电源输出的后面接线性的稳压器来降低噪声,由于成本考虑或找不到合适的集成线性稳压调节器,一般采用分立元件方案组成线性稳压调节器,使用中压的功率MOSFET作为调整管;在一些风扇或电机调速的应用中,也是采用功率MOSFET作调整管,通过控制VGS的电压,来调节漏极的电流,从而控制风扇、电机的转速。这些应用中,功率MOSFET完全工作在线性区。
 
然而,在开关电源中,功率MOSFET工作在完全关断或完全导通状态,通过线性区的速度比较快,也就是驱动电压VGS从阈值电压VGS(th)开始,到米勒平台结束的这段时间,比较快,即使如此,也产生了较大的开关损耗。
 
功率MOSFET工作完全工作在线性区或者长的时间工作在线性区,会产生非常大的功率损耗,产生高的热应力;同时由于工作电压高,内部电场大,容易发生单元热不平衡而局部失效的问题。功率MOSFET工作于线性区的这些问题,将用多篇文章进行论述,给出一些设计的参考思路。
 
2、功率MOSFET线性区工作
 
功率MOSFET也有三个工作状态,在漏极导通特性曲线上,对应的是三个工作区:截止区,线性区和可变电阻区。如图10所示。注意到:MOSFET的线性区有时也称为:恒流区或饱和区。
 
图10:AOT1404的漏极导通特性
 
在前面栅极电荷的章节,设计过功率MOSFET的开通过程。在漏极导通特性曲线上,当栅极的驱动电压加在栅极上时,由于栅极有输入电容,电容的电压不能突变,因此,栅极的电压随时间线性上升,此时功率MOSFET仍然工作在截止区,图10中A-B所示。
 
当栅极的电压上升到阈值电压时,漏极开始流过电流,此时,功率MOSFET进入到线性区。随着栅极的增加,漏极电流也增加,图10中B-C所示。这个过程中,VDS电压变化不大,CGD的电容小,因此很快的放电。这一段时间也可称为di/dt时间段。
 
漏极电流的变化值等于器件的跨导乘以栅极电压的变化值。
 
 
当漏极的电流达到系统的最大允许电流时,此时漏极电流不再增加,维持最大值并保持恒定,因此,栅极的电压受到跨导的限制,也要保持恒定,图10中C-D所示。
 
此时,功率MOSFET会在一段时间内工作在米勒平台区,即相对稳定的恒流区。栅极处于米勒平台区保持恒定的原因在于:漏极电压VDS开始降低,那么导致Crss两端的电压VGD也会随之急剧的变化。
 
 
从上式可以看到,只有大的电流才能产生大的VGD变化率,来抽取Crss的电荷,因此几乎所有栅极的电流都被Crss抽走。同时,Crss是一个动态参数,在漏极电压变化的过程中,Crss的电容值也会急剧的增加,此时动态的Crss主导着输入电容,这样,电容CGS相对而言其回路几乎没有电流,因此,栅极的电压会维持恒定,从而产生米勒平台。这一段时间也可称为dv/dt时间段。
 
当Crss的电荷全部抽走后,米勒平台结束,同时,VDS电压也降到最低值,即电流和此时的RDS(on)乘积。随后栅极电压继续增加,增加到驱动电压的最大值,如图10中D-E所示,此时功率MOSFET进入可变电阻区。
 
整个过程中,A-B为截止区,D-E为可变电阻区,B-C-D为线性工作区。线性区产生开关损耗,对于一个开关周期,此时间段越长,开关损耗越大。
 
来源:松哥电源
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