如何選擇節(jié)能、高效的MOSFET

前不久，能源之星發(fā)布了2.0版外部電源能效規(guī)范。新規(guī)范大幅提高了工作頻率要求，同時進(jìn)一步降低待機(jī)功耗要求。例如，為了滿足新規(guī)范，2.5W（5V，0.5A）外部電源的最低效率必須達(dá)到72.3%，新規(guī)范要求空載功耗應(yīng)低于300mW，這些都比目前使用的規(guī)范有了大幅提高。不僅是外部電源，很多手持式產(chǎn)品及家電產(chǎn)品，同樣面臨著低功耗的考驗。以手機(jī)為例，隨著智能手機(jī)的功能越來越多，低功耗設(shè)計已經(jīng)成為一個越來越迫切的問題。

面對這種降低功耗、提高能效的趨勢要求，設(shè)計工程師必須從源頭開始，為自己的設(shè)計盡可能地選擇節(jié)能、高效的器件。而高能效的功率半導(dǎo)體可以幫助工程師縮短相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)時程，并能輕易達(dá)到系統(tǒng)的規(guī)格需求。MOSFET作為功率半導(dǎo)體的一種，在很多系統(tǒng)中都有應(yīng)用，如：便攜設(shè)備、消費類電源適配器、計算機(jī)主板、LCD顯示器、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、汽車電子以及照明等領(lǐng)域。尤其是在DC/DC轉(zhuǎn)換器中，功率MOSFET的選擇將對電源的效率有關(guān)鍵的影響。下面，將介紹幾款應(yīng)用在不同領(lǐng)域的MOSFET，它們無論在導(dǎo)通電阻還是開關(guān)速度上，都具有出色的表現(xiàn)。

MOSFET的幾個關(guān)鍵參數(shù)
MOSFET是英文Metal Oxide Semicoductor Field Effect Transistor的縮寫，譯成中文是“金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管”。它是由金屬、氧化物(SiO2或SiN)及半導(dǎo)體三種材料制成的器件。按溝道半導(dǎo)體材料的不同，MOSFET分為N溝道和P溝道兩種。所謂功率MOSFET(Power MOSFET)是指它能輸出較大的工作電流(幾安到幾十安)，用于功率輸出級的器件。

MOSFET的參數(shù)中，主要考慮的有三大參數(shù)：最大耐壓、最大電流能力及導(dǎo)通電阻。導(dǎo)通電阻（RDSON）是一個關(guān)鍵的參數(shù)，導(dǎo)通電阻越小，則傳導(dǎo)損耗越小。但是，只考慮導(dǎo)通電阻還不夠，因為，功率MOSFET主要的損耗來源有三個：(1)導(dǎo)通電阻造成導(dǎo)通損耗；(2)閘極電荷造成驅(qū)動電路上的損耗及切換損耗；(3)輸出電容在截止/導(dǎo)通的過程中造成功率MOSFET的儲能/耗能。因此，選擇一款節(jié)能、高效的MOSFET，需要考慮多種原因及應(yīng)用領(lǐng)域。

在業(yè)界，MOSFET有一個普適的性能測量基準(zhǔn)，即品質(zhì)因數(shù)(FOM)，品質(zhì)因數(shù)可以用導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）和柵極電荷(Qg)的乘積來表示，即FOM = RDS(ON)×Qg。RDS(ON)直接關(guān)系到傳導(dǎo)損耗，Qg直接關(guān)系到開關(guān)損耗，因此，F(xiàn)OM值越低，器件性能就越好。

幾款高效、低損耗MOSFET
英飛凌公司的SuperS08無鉛封裝的40V、60V和80V OptiMOS 3 N溝道MOSFET系列，具有極低的導(dǎo)通電阻。其40V系列具備最低1.8mΩ的導(dǎo)通電阻，60V系列具備最低2.8mΩ的導(dǎo)通電阻，80V系列具備最低4.7mΩ的導(dǎo)通電阻。這些器件的FOM與采用標(biāo)準(zhǔn)TO封裝的同類產(chǎn)品相比高出25%，能夠更快速實現(xiàn)開關(guān)，同時最大程度降低開關(guān)損耗和柵極驅(qū)動損耗，提高功率密度，降低驅(qū)動器散熱量。SuperSO8封裝寄生電感不到0.5nH，比TO-220封裝的5～10nH電感低很多，這進(jìn)一步提升了器件整體效率，最大程度上減少在開關(guān)條件下的振蕩現(xiàn)象。OptiMOS 3 40V、60V和80V產(chǎn)品適用于需要高效率和功率密度的功率轉(zhuǎn)換和電源管理應(yīng)用，包括眾多產(chǎn)品的SMPS(開關(guān)模式電源)、DC/DC轉(zhuǎn)換器和直流電機(jī)驅(qū)動器等。

這些產(chǎn)品包括計算機(jī)、家用電器、小型電動車、工業(yè)自動化系統(tǒng)、電信設(shè)備和電動工具、電動剪草機(jī)和風(fēng)扇等消費類電子設(shè)備。

意法半導(dǎo)體(ST)在MOSFET產(chǎn)品上也有自己獨到的技術(shù)，其STripFET技術(shù)利用非常高的等效單元密度和更小的單元特征尺寸來實現(xiàn)極低的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗，STripFET V是最新一代的STripFET技術(shù)?；谠摷夹g(shù)的兩款MOSFET STD60N3LH5和STD85N3LH5,擁有極低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。在一個典型的穩(wěn)壓模塊內(nèi)，兩種損耗的減少可達(dá)3W。該產(chǎn)品實現(xiàn)了優(yōu)異的品質(zhì)因數(shù)FOM。兩款產(chǎn)品都是30V（BVDSS）器件。STD60N3LH5柵極電荷量（Qg）為8.8nC，在10V電壓時，導(dǎo)通電阻為7.2mΩ，是非隔離DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器中控制型場效應(yīng)晶體管的理想選擇。STD85N3LH5在10V電壓時，導(dǎo)通電阻為4.2mΩ，柵電荷量為14nC，是同步場效應(yīng)晶體管的極佳選擇。兩款產(chǎn)品都采用DPAK和IPAK封裝，應(yīng)用領(lǐng)域包括筆記本電腦、服務(wù)器、電信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

威世(Vishay Intertechnology)的20V N溝道器件SiR440DP，擴(kuò)展了其第三代TrenchFET功率MOSFET系列。該器件采用PowerPAK SO-8封裝，在4.5V柵極驅(qū)動時最大導(dǎo)通電阻為2.0mΩ，在10V柵極驅(qū)動時最大導(dǎo)通電阻為1.55mΩ。在DC/DC應(yīng)用中，該MOSFET具有極好的品質(zhì)因數(shù)，在 4.5V時為87。SiR440DP在同步降壓轉(zhuǎn)換器以及二級同步整流及OR-ing應(yīng)用中用做低端MOSFET。其低傳導(dǎo)及切換損耗將確保穩(wěn)壓器模塊(VRM)、服務(wù)器及使用負(fù)載點(POL)功率轉(zhuǎn)換的諸多系統(tǒng)實現(xiàn)功效更高且更節(jié)省空間的設(shè)計。