選擇場(chǎng)效應(yīng)晶體管的六大訣竅

一、場(chǎng)效應(yīng)晶體管選擇的重要性

隨著電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，我們對(duì)電子產(chǎn)品性能的要求也越來(lái)越高，在一些電子產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)與研發(fā)中，不光是開(kāi)關(guān)電源電路中，還有在便攜式電子產(chǎn)品的電路中都會(huì)用到場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所以正確選擇場(chǎng)效應(yīng)晶體管是硬件工程師經(jīng)常遇到的難題之一，更是極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的選擇，有可能直接影響到整個(gè)電路的效率和成本，下面為方便電子工程師快速準(zhǔn)確的選擇場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可以從以下六大訣竅著手。

二、場(chǎng)效應(yīng)晶體管選擇的六大訣竅

1、溝道類型

選擇好場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管就構(gòu)成了低壓側(cè)開(kāi)關(guān)。在低壓側(cè)開(kāi)關(guān)中，應(yīng)采用N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，這是出于對(duì)關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管連接到總線及負(fù)載接地時(shí)，就要用高壓側(cè)開(kāi)關(guān)。通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎肞溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，這也是出于對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)的考慮。

2、額定電壓

確定所需的額定電壓，或者器件所能承受的最大電壓。額定電壓越大，器件的成本就越高。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，額定電壓應(yīng)當(dāng)大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護(hù)，使場(chǎng)效應(yīng)晶體管不會(huì)失效。

就選擇場(chǎng)效應(yīng)晶體管而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS。知道場(chǎng)效應(yīng)晶體管能承受的最大電壓會(huì)隨溫度而變化這點(diǎn)十分重要。我們須在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)測(cè)試電壓的變化范圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個(gè)變化范圍，確保電路不會(huì)失效。需要考慮的其他安全因素包括由開(kāi)關(guān)電子設(shè)備（如電機(jī)或變壓器）誘發(fā)的電壓瞬變。不同應(yīng)用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設(shè)備為20V、FPGA電源為20～30V、85～220VAC應(yīng)用為450～600V。

3、額定電流

該額定電流應(yīng)是負(fù)載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，確保所選的場(chǎng)效應(yīng)晶體管能承受這個(gè)額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時(shí)。兩個(gè)考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，場(chǎng)效應(yīng)晶體管處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電流連續(xù)通過(guò)器件。脈沖尖峰是指有大量電涌（或尖峰電流）流過(guò)器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個(gè)最大電流的器件便可。

4、導(dǎo)通損耗

在實(shí)際情況下，場(chǎng)效應(yīng)晶體管并不是理想的器件，因?yàn)樵趯?dǎo)電過(guò)程中會(huì)有電能損耗，這稱之為導(dǎo)通損耗。場(chǎng)效應(yīng)晶體管在“導(dǎo)通”時(shí)就像一個(gè)可變電阻，由器件的RDS（ON）所確定，并隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS（ON）計(jì)算，由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì)隨之按比例變化。對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管施加的電壓VGS越高，RDS（ON）就會(huì)越??；反之RDS（ON）就會(huì)越高。注意RDS（ON）電阻會(huì)隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS（ON）電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。

5、系統(tǒng)散熱

須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對(duì)最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會(huì)失效。在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的資料表上還有一些需要注意的測(cè)量數(shù)據(jù)；器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積（結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+［熱阻×功率耗散］）。根據(jù)這個(gè)式子可解出系統(tǒng)的最大功率耗散，即按定義相等于I2×RDS（ON）。我們已將要通過(guò)器件的最大電流，可以計(jì)算出不同溫度下的RDS（ON）。另外，還要做好電路板及其場(chǎng)效應(yīng)晶體管的散熱。

雪崩擊穿是指半導(dǎo)體器件上的反向電壓超過(guò)最大值，并形成強(qiáng)電場(chǎng)使器件內(nèi)電流增加。晶片尺寸的增加會(huì)提高抗雪崩能力，最終提高器件的穩(wěn)健性。因此選擇更大的封裝件可以有效防止雪崩。

6、開(kāi)關(guān)性能

影響開(kāi)關(guān)性能的參數(shù)有很多，但最重要的是柵極/漏極、柵極/源極及漏極/源極電容。這些電容會(huì)在器件中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，因?yàn)樵诿看伍_(kāi)關(guān)時(shí)都要對(duì)它們充電。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開(kāi)關(guān)速度因此被降低，器件效率也下降。為計(jì)算開(kāi)關(guān)過(guò)程中器件的總損耗，要計(jì)算開(kāi)通過(guò)程中的損耗（Eon）和關(guān)閉過(guò)程中的損耗（Eoff）。場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)關(guān)的總功率可用如下方程表達(dá)：Psw=（Eon+Eoff）×開(kāi)關(guān)頻率。而柵極電荷（Qgd）對(duì)開(kāi)關(guān)性能的影響最大。

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審核編輯 黃宇