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[導讀]1、概述在筆記本電腦主板、LCDTV主板、STB機頂盒等電子系統(tǒng)應用中,內部有不同電壓的多路電源,通常需要采用功率MOSFET作為負載切換開關,控制不同電壓的電源的上電時序;同時還有USB接口,用于輸出5V電壓,這些電源通常后面帶有較大的電容,也需要負載開關,限制后面電容在上電的...


1、概述


在筆記本電腦主板、LCDTV主板、STB機頂盒等電子系統(tǒng)應用中,內部有不同電壓的多路電源,通常需要采用功率MOSFET作為負載切換開關,控制不同電壓的電源的上電時序;同時還有USB接口,用于輸出5V電壓,這些電源通常后面帶有較大的電容,也需要負載開關,限制后面電容在上電的過程中充電產(chǎn)生的大的浪涌電流,以保護后面所帶的負載芯片的安全,同時不會導致前面的電源電壓的跌落產(chǎn)生復位的問題。


筆記本電腦主板19V輸入端,有二個背靠背的功率MOSFET,一個用于負載開關作軟起動,限制浪涌電流,另一個用于防反接。


圖1:筆記本電腦電源

圖2:筆記本電腦主板輸入電路


在通訊系統(tǒng)中,也廣泛使用熱插撥電路,由功率MOSFET組成的熱插撥電路和上述的負載開關的功能類同。在這些應用中,通常在功率MOSFET的柵極和源極或柵極和漏極并聯(lián)額外的電容,延長功率MOSFET在線性區(qū)的時間,以限制流涌的電流。從圖7波形可以明顯看到:功率MOSFET完全導通前,有比較長的一段時間工作于時間線性區(qū)。

圖3:通信系統(tǒng)機房

圖4:通信系統(tǒng)機柜板卡熱插撥

圖5:通信系統(tǒng)機柜

圖6:通信系統(tǒng)板卡電路

圖7:通信系統(tǒng)板卡熱插撥波形


在電池保持板PCM過流關斷的過程中,從波形可以看到:功率MOSFET同樣也有較長的一段時間工作于線性區(qū)。

圖8:電池保持板電路

圖9:電池保持板關斷波形


在一些輸出電壓需要低噪聲的應用,如輸出為12V、24V的供電電源,通常在開關電源輸出的后面接線性的穩(wěn)壓器來降低噪聲,由于成本考慮或找不到合適的集成線性穩(wěn)壓調節(jié)器,一般采用分立元件方案組成線性穩(wěn)壓調節(jié)器,使用中壓的功率MOSFET作為調整管;在一些風扇或電機調速的應用中,也是采用功率MOSFET作調整管,通過控制VGS的電壓,來調節(jié)漏極的電流,從而控制風扇、電機的轉速。這些應用中,功率MOSFET完全工作在線性區(qū)。


然而,在開關電源中,功率MOSFET工作在完全關斷或完全導通狀態(tài),通過線性區(qū)的速度比較快,也就是驅動電壓VGS從閾值電壓VGS(th)開始,到米勒平臺結束的這段時間,比較快,即使如此,也產(chǎn)生了較大的開關損耗。


功率MOSFET工作完全工作在線性區(qū)或者長的時間工作在線性區(qū),會產(chǎn)生非常大的功率損耗,產(chǎn)生高的熱應力;同時由于工作電壓高,內部電場大,容易發(fā)生單元熱不平衡而局部失效的問題。功率MOSFET工作于線性區(qū)的這些問題,將用多篇文章進行論述,給出一些設計的參考思路。


2、功率MOSFET線性區(qū)工作


功率MOSFET也有三個工作狀態(tài),在漏極導通特性曲線上,對應的是三個工作區(qū):截止區(qū),線性區(qū)和可變電阻區(qū)。如圖10所示。注意到:MOSFET的線性區(qū)有時也稱為:恒流區(qū)或飽和區(qū)。

圖10:AOT1404的漏極導通特性


在前面柵極電荷的章節(jié),設計過功率MOSFET的開通過程。在漏極導通特性曲線上,當柵極的驅動電壓加在柵極上時,由于柵極有輸入電容,電容的電壓不能突變,因此,柵極的電壓隨時間線性上升,此時功率MOSFET仍然工作在截止區(qū),圖10中A-B所示。


當柵極的電壓上升到閾值電壓時,漏極開始流過電流,此時,功率MOSFET進入到線性區(qū)。隨著柵極的增加,漏極電流也增加,圖10中B-C所示。這個過程中,VDS電壓變化不大,CGD的電容小,因此很快的放電。這一段時間也可稱為di/dt時間段


漏極電流的變化值等于器件的跨導乘以柵極電壓的變化值。

當漏極的電流達到系統(tǒng)的最大允許電流時,此時漏極電流不再增加,維持最大值并保持恒定,因此,柵極的電壓受到跨導的限制,也要保持恒定,圖10中C-D所示。


此時,功率MOSFET會在一段時間內工作在米勒平臺區(qū),即相對穩(wěn)定的恒流區(qū)。柵極處于米勒平臺區(qū)保持恒定的原因在于:漏極電壓VDS開始降低,那么導致Crss兩端的電壓VGD也會隨之急劇的變化。

從上式可以看到,只有大的電流才能產(chǎn)生大的VGD變化率,來抽取Crss的電荷,因此幾乎所有柵極的電流都被Crss抽走。同時,Crss是一個動態(tài)參數(shù),在漏極電壓變化的過程中,Crss的電容值也會急劇的增加,此時動態(tài)的Crss主導著輸入電容,這樣,電容CGS相對而言其回路幾乎沒有電流,因此,柵極的電壓會維持恒定,從而產(chǎn)生米勒平臺。這一段時間也可稱為dv/dt時間段


當Crss的電荷全部抽走后,米勒平臺結束,同時,VDS電壓也降到最低值,即電流和此時的RDS(on)乘積。隨后柵極電壓繼續(xù)增加,增加到驅動電壓的最大值,如圖10中D-E所示,此時功率MOSFET進入可變電阻區(qū)。


整個過程中,A-B為截止區(qū),D-E為可變電阻區(qū),B-C-D為線性工作區(qū)。線性區(qū)產(chǎn)生開關損耗,對于一個開關周期,此時間段越長,開關損耗越大。


具體的開關過程,di/dt時間段和dv/dt時間段請參考公眾號中以前的文章,有詳細的論述。

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