MOSFET是电气系统一些最基本的元件，但随着制造技术的发展和进步，系统设计人员必需跟上技术的发展步伐，才能为其设计挑选最合适的产品。本文将讨论如何根据RDS（ON）、热性能、雪崩击穿电压及开关性能指标来选择正确的MOSFET。

在产品开发环节，许多设计工程师都是设计系统主要功能的专家。然而，由于缺乏资源和时间，他们中许多还得在板卡上开发外设子系统。这类子系统可能包括功率结构和拓墣。许多工程师可能缺少构建功率结构方面的经验，因而需要协助。所以，对他们来说了解如何为其设计选择正确的MOSFET就非常重要。

MOSFET选择

MOSFET有两大类型：N通道和P通道。在功率系统中，MOSFET可被看成电气开关。当在N通道MOSFET的栅极和源极间加上正电压时，其开关导通。导通时，电流可经开关从漏极流向源极。漏极和源极之间存在一个内阻，称为导通电阻RDS（ON）。必须清楚MOSFET的栅极是个高阻抗端，因此，总是要在栅极加上一个电压。如果栅极为悬空，元件将不能按设计意图工作，并可能在不恰当的时刻导通或关闭，导致系统产生潜在的功率损耗。源极和闸极间的电压为零时,开关关闭,而电流停止通过元件。虽然这时元件已经关闭,但仍然有微小电流存在,这称之为漏电流,即IDSS。

第一步步:选用N通道还是N通道

为设计选择正确元件的第一步是决定采用N通道还是P通道MOSFET。在典型的功率应用中，当一个MOSFET接地，而负载连接到干线电压上时，该MOSFET就构成了低压侧开关。在低压侧开关中，应采用N通道MOSFET，这是出于对关闭或导通元件所需电压的考虑。当MOSFET连接到汇流排及负载接地时，就要用高压侧开关。通常会在这个拓墣中采用P通道MOSFET，而此也是出于对电压驱动的考虑。

要选择适合应用的元件，必需确定驱动元件所需的电压，以及在设计中最简易执行的方法。下一步是确定所需的额定电压，或者元件所能承受的最大电压。额定电压越大，元件的成本就越高。根据实践经验，额定电压应当大于干线电压或汇流排电压。这样才能提供足够的保护，使MOSFET不会失效。就选择MOSFET而言，必需确定漏极至源极间可能承受的最大电压，即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大电压会随温度而变化这点十分重要。设计人员必需在整个工作温度范围内测试电压的变化范围。额定电压必须有足够的余量覆盖这个变化范围，确保电路不会失效。设计工程师需要考虑的其他安全因素包括由开关电子设备（如电机或变压器）诱发的电压瞬变。不同应用的额定电压也有所不同；通常，可携式设备为20V、FPGA电源为20-30V、85VAC-220VAC应​​用为450V-600V。

第二步：确定额定电流

第二步是选择MOSFET的额定电流。视乎电路结构而定，该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似，设计人员必需确保所选的MOSFET能承受这个额定电流，即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下，MOSFET处于稳态，此时电流连续通过元件。脉冲尖峰是指有大量电涌（或尖峰电流）流过元件。一旦确定了这些条件下的最大电流，只需直接选择能承受这个最大电流的元件便可。

选好额定电流后，还必须计算导通损耗。在实际情况下，MOSFET并不是理想的元件，因为在导电过程中会有电能损耗；这称之为导通损耗。 MOSFET在「导通」时像一个可变电阻，由元件的RDS（ON）所确定，并随温度而显著变化。元件的功率耗损可由Iload2×RDS（ON）计算，由于导通电阻随温度变化，因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOS​​FET施加的电压VGS越高，RDS（ON）就会越小；反之RDS（ON）就会越高。对系统设计人员来说，这就是取决于系统电压而需要折衷权衡的地方。对可携式设计来说，采用较低的电压比较容易（较为普遍），而对于工业设计，可采用较高的电压。注意RDS（ON）电阻会随着电流轻微上升。关于RDS（ON）电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。

技术对元件的特性有着重大影响，因为有些技术在提高最大VDS时往往会使RDS（ON）增大。对于这样的技术，如果打算降低VDS和RDS（ON），那么就得增加晶片尺寸，从而增加与之配套的封装尺寸及相关的开发成本。业界现有好几种试图控制晶片尺寸增加的技术，其中最主要的是通道和电荷平衡技术。

在通道技术中，晶片中嵌入了一个深沟，通常是为低电压预留的，用于降低导通电阻RDS（ON）。为了减少最大VDS对RDS（ON）的影响，开发过程中采用了外延生长柱／蚀刻柱制程。例如，快捷半导体开发了称为SuperFET的技术，针对RDS（ON）的降低而增加了额外的制造步骤。这种对RDS（ON）的关注十分重要，因为当标准MOSFET的击穿电压升高时，RDS（ON）会随之呈指数级增加，并且导致晶片尺寸增大。SuperFET制程将RDS（ON）与晶片尺寸间的指数关系变成了线性关系。这样，SuperFET元件便可在小晶片尺寸，甚至在击穿电压达到600V的情况下，实现理想的低RDS（ON）。结果是晶片尺寸可减小达35％。而对于最终用户来说，这意味着封装尺寸的大幅减小。

第三步：确定热要求

选择MOSFET的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必需考虑两种不同的情况：即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果，因为这个结果提供更大的安全余量，能确保系统不会失效。在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量资料；比如封装元件的半导体结与环境之间的热阻，以及最大的结温。

元件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积，其公式如下：

根据这个方程可解出系统的最大功率耗散，即按定义相等于I2×RDS（ON）。由于设计人员已确定将要通过元件的最大电流，因此可以计算出不同温度下的RDS（ON）。值得注意的是，在处理简单热模型时，设计人员还必需考虑半导体结／元件外壳及外壳／环境的热容量；即要求印刷电路板和封装不会立即升温。

雪崩击穿是指半导体元件上的反向电压超过最大值，并形成强电场使元件内电流增加。该电流将耗散功率，使元件的温度升高，而且有可能损坏元件。半导体公司都会对元件进行雪崩测试，计算其雪崩电压，或对元件的稳健性进行测试。计算额定雪崩电压有两种方法；一是统计法，另一是热计算。而热计算因为较为实用而得到广泛采用。不少公司都有提供其元件测试的详情[1]。除计算外，技术对雪崩效应也有很大影响。例如，晶片尺寸的增加会提高抗雪崩能力，最终并提高元件的稳健性。对最终使用者而言，这意味着要在系统中采用更大的封装件。

第四步：决定开关性能

选择MOSFET的最后一步是决定MOSFET的开关性能。影响开关性能的参数有很多，但最重要的是栅极／漏极、栅极／源极及漏极／源极电容。这些电容会在元件中产生开关损耗，因为在每次开关时都要对它们充电。 MOSFET的开关速度因此被降低，元件效率也下降。为计算开关过程中元件的总损耗，设计人员必需计算开通过程中的损耗（Eon）和关闭过程中的损耗（Eoff）。 MOSFET开关的总功率可用如下方程表达：

结语

通过了解MOSFET的类型及了解和决定它们的重要性能特点，设计人员就能针对特定设计选择正确的MOSFET。由于MOSFET是电气系统中最基本的元件之一，选择正确的MOSFET对整个设计是否成功起着关键的作用。

＠小标：参考资料

Application Note（AN-9034）: “Power MOSFET Avalanche Guidelines.” Fairchild Semiconductor. HTTP://呜呜呜.Fairchild色眯.com/按/AN/AN-9034.泡打粉#page=1

…作者任职于快捷半导体公司…