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詳解電源設計中MOS管發(fā)熱的原因

發(fā)布時間:2015-10-21 責任編輯:susan

【導讀】做電源設計,或者做驅(qū)動方面的電路,難免要用到場效應管,也就是人們常說的MOS管。MOS管有很多種類,也有很多作用。做電源或者驅(qū)動的使用,當然就是用它的開關(guān)作用。
 
無論N型或者P型MOS管,其工作原理本質(zhì)是一樣的。MOS管是由加在輸入端柵極的電壓來控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件,它通過加在柵極上的電壓控制器件的特性,不會發(fā)生像三極管做開關(guān)時的因基極電流引起的電荷存儲效應,因此在開關(guān)應用中, MOS管的開關(guān)速度應該比三極管快。其主要原理如圖:圖1。
 
圖1 MOS管的工作原理
 
我們在開關(guān)電源中常用MOS管的漏極開路電路,如圖2漏極原封不動地接負載,叫開路漏極,開路漏極電路中不管負載接多高的電壓,都能夠接通和關(guān)斷負載電流。是理想的模擬開關(guān)器件。這就是MOS管做開關(guān)器件的原理。當然MOS管做開關(guān)使用的電路形式比較多了。
 
圖2 NMOS管的開路漏極電路
 
在開關(guān)電源應用方面,這種應用需要MOS管定期導通和關(guān)斷。比如,DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依賴兩個MOS管來執(zhí)行開關(guān)功能,這些開關(guān)交替在電感里存儲能量,然后把能量釋放給負載。我們常選擇數(shù)百kHz乃至1 MHz以上的頻率,因為頻率越高,磁性元件可以更小更輕。在正常工作期間,MOS管只相當于一個導體。因此,我們電路或者電源設計人員最關(guān)心的是MOS的最小傳導損耗。
 
我們經(jīng)常看MOS管的PDF參數(shù),MOS管制造商采用RDS(ON) 參數(shù)來定義導通阻抗,對開關(guān)應用來說,RDS(ON) 也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊定義RDS(ON) 與柵極 (或驅(qū)動) 電壓 VGS 以及流經(jīng)開關(guān)的電流有關(guān),但對于充分的柵極驅(qū)動,RDS(ON) 是一個相對靜態(tài)參數(shù)。一直處于導通的MOS管很容易發(fā)熱。另外,慢慢升高的結(jié)溫也會導致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了熱阻抗參數(shù),其定義為MOS管封裝的半導體結(jié)散熱能力。RθJC的最簡單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。
 
1.發(fā)熱情況有,電路設計的問題,就是讓MOS管工作在線性的工作狀態(tài),而不是在開關(guān)狀態(tài)。這也是導致MOS管發(fā)熱的一個原因。如果N-MOS做開關(guān),G級電壓要比電源高幾V,才能完全導通,P-MOS則相反。沒有完全打開而壓降過大造成功率消耗,等效直流阻抗比較大,壓降增大,所以U*I也增大,損耗就意味著發(fā)熱。這是設計電路的最忌諱的錯誤。
 
2,頻率太高,主要是有時過分追求體積,導致頻率提高,MOS管上的損耗增大了,所以發(fā)熱也加大了
 
3,沒有做好足夠的散熱設計,電流太高,MOS管標稱的電流值,一般需要良好的散熱才能達到。所以ID小于最大電流,也可能發(fā)熱嚴重,需要足夠的輔助散熱片。
 
4,MOS管的選型有誤,對功率判斷有誤,MOS管內(nèi)阻沒有充分考慮,導致開關(guān)阻抗增大
 
這是我最近在處理MOS管發(fā)熱問題時簡單總結(jié)的。其實這些問題也是老生常談的問題,做開關(guān)電源或者MOS管開關(guān)驅(qū)動這些知識應該是爛熟于心,當然有時還有其他方面的因素,主要就是以上幾種原因。
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