选择一款节能、高效的MOSFET

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前不久，能源之星发布了2.0版外部电源能效规范。新规范大幅提高了工作频率要求，同时进一步降低待机功耗要求。例如，为了满足新规范，2.5W（5V，0.5A）外部电源的最低效率必须达到72.3%，新规范要求空载功耗应低于300mW，这些都比目前使用的规范有了大幅提高。不仅是外部电源，很多手持式产品及家电产品，同样面临着低功耗的考验。以手机为例，随着智能手机的功能越来越多，低功耗设计已经成为一个越来越迫切的问题。面对这种降低功耗、提高能效的趋势要求，设计工程师必须从源头开始，为自己的设计尽可能地选择节能、高效的器件。而高能效的功率半导体可以帮助工程师缩短相关产品的开发时程，并能轻易达到系统的规格需求。MOSFET作为功率半导体的一种，在很多系统中都有应用，如：便携设备、消费类电源适配器、计算机主板、LCD显示器、网络通信、工业控制、汽车电子以及照明等领域。尤其是在DC/DC转换器中，功率MOSFET的选择将对电源的效率有关键的影响。下面，将介绍几款应用在不同领域的MOSFET，它们无论在导通电阻还是开关速度上，都具有出色的表现。MOSFET的几个关键参数MOSFET是英文Metal Oxide Semicoductor Field Effect Transistor的缩写，译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。它是由金属、氧化物(SiO2或SiN)及半导体三种材料制成的器件。按沟道半导体材料的不同，MOSFET分为N沟道和P沟道两种。所谓功率MOSFET(Power MOSFET)是指它能输出较大的工作电流(几安到几十安)，用于功率输出级的器件。MOSFET的参数中，主要考虑的有三大参数：最大耐压、最大电流能力及导通电阻。导通电阻（RDSON）是一个关键的参数，导通电阻越小，则传导损耗越小。但是，只考虑导通电阻还不够，因为，功率MOSFET主要的损耗来源有三个：(1)导通电阻造成导通损耗；(2)闸极电荷造成驱动电路上的损耗及切换损耗；(3)输出电容在截止/导通的过程中造成功率MOSFET的储能/耗能。因此，选择一款节能、高效的MOSFET，需要考虑多种原因及应用领域。在业界，MOSFET有一个普适的性能测量基准，即品质因数(FOM)，品质因数可以用导通电阻（RDS(ON)）和栅极电荷(Qg)的乘积来表示，即FOM = RDS(ON)×Qg。RDS(ON)直接关系到传导损耗，Qg直接关系到开关损耗，因此，FOM值越低，器件性能就越好。几款高效、低损耗MOSFET英飞凌公司的SuperS08无铅封装的40V、60V和80V OptiMOS 3 N沟道MOSFET系列，具有极低的导通电阻。其40V系列具备最低1.8mΩ的导通电阻，60V系列具备最低2.8mΩ的导通电阻，80V系列具备最低4.7mΩ的导通电阻。这些器件的FOM与采用标准TO封装的同类产品相比高出25%，能够更快速实现开关，同时最大程度降低开关损耗和栅极驱动损耗，提高功率密度，降低驱动器散热量。SuperSO8封装寄生电感不到0.5nH，比TO-220封装的5～10nH电感低很多，这进一步提升了器件整体效率，最大程度上减少在开关条件下的振荡现象。OptiMOS 3 40V、60V和80V产品适用于需要高效率和功率密度的功率转换和电源管理应用，包括众多产品的SMPS(开关模式电源)、DC/DC转换器和直流电机驱动器等。这些产品包括计算机、家用电器、小型电动车、工业自动化系统、电信设备和电动工具、电动剪草机和风扇等消费类电子设备。意法半导体(ST)在MOSFET产品上也有自己独到的技术，其STripFET技术利用非常高的等效单元密度和更小的单元特征尺寸来实现极低的导通电阻和开关损耗，STripFET V是最新一代的STripFET技术。基于该技术的两款MOSFET STD60N3LH5和STD85N3LH5,拥有极低的导通损耗和开关损耗。在一个典型的稳压模块内，两种损耗的减少可达3W。该产品实现了优异的品质因数FOM。两款产品都是30V（BVDSS）器件。STD60N3LH5栅极电荷量（Qg）为8.8nC，在10V电压时，导通电阻为7.2mΩ，是非隔离DC/DC降压转换器中控制型场效应晶体管的理想选择。STD85N3LH5在10V电压时，导通电阻为4.2mΩ，栅电荷量为14nC，是同步场效应晶体管的极佳选择。两款产品都采用DPAK和IPAK封装。威世(Vishay Intertechnology)的20V N沟道器件SiR440DP，扩展了其第三代TrenchFET功率MOSFET系列。该器件采用PowerPAK SO-8封装，在4.5V栅极驱动时最大导通电阻为2.0mΩ，在10V栅极驱动时最大导通电阻为1.55mΩ。在DC/DC应用中，该MOSFET具有极好的品质因数，在 4.5V时为87。SiR440DP在同步降压转换器以及二级同步整流及OR-ing应用中用做低端MOSFET。其低传导及切换损耗将确保稳压器模块(VRM)、服务器及使用负载点(POL)功率转换的诸多系统实现功效更高且更节省空间的设计。