插拔電路中MOSFET的要求（擊穿電壓、安全操作區(qū)域、擊穿特征）-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-06-28
MOSFET即金氧半場(chǎng)效晶體管，是一種最常見(jiàn)的MOS管，也是構(gòu)成數(shù)字集成電路的基本單元，在開(kāi)關(guān)電源、馬達(dá)控制、汽車電子、LED燈具驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
在當(dāng)電源應(yīng)用中，當(dāng)負(fù)載突然斷開(kāi)時(shí)，電路寄生電感元件上的大電流擺動(dòng)會(huì)產(chǎn)生巨大的尖峰電壓，對(duì)電路上的電子元件造成十分不利的影響。與電池保護(hù)應(yīng)用類似，此處MOSFET可以將輸入電源與其他電路隔離開(kāi)來(lái)。但此時(shí)，MOSFET的作用并不是立即斷開(kāi)輸入與輸出之間的連接，而是減輕那些具有破壞力的浪涌電流帶來(lái)的嚴(yán)重后果。這需要通過(guò)一個(gè)控制器來(lái)調(diào)節(jié)輸入電壓（VIN）和輸出電壓（VOUT）之間MOSFET上的柵源偏壓，使MOSFET處于飽和狀態(tài)，從而阻止可能通過(guò)的電流。
當(dāng)針對(duì)熱插拔應(yīng)用時(shí)，對(duì)于MOSFET在飽和區(qū)工作的任何情況，設(shè)計(jì)師都可以使用相同的SOA選擇過(guò)程，甚至可以為OR-ing應(yīng)用、以太網(wǎng)供電（PoE）以及低速開(kāi)關(guān)應(yīng)用（如電機(jī)控制）使用相同的MOSFET選擇方法，在MOSFET關(guān)斷期間，會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)高的VDS和IDS的重疊。
熱插拔是一種傾向于使用表面貼裝MOSFET的應(yīng)用，而不是通孔MOSFET（如TO-220或I-PAK封裝）。原因在于短脈沖持續(xù)時(shí)間和熱擊穿事件發(fā)生的加熱非常有限。換句話說(shuō)，從硅結(jié)到外殼的電容熱阻元件可以防止熱量快速散失到電路板或散熱片中以冷卻結(jié)點(diǎn)。芯片尺寸的函數(shù) - 結(jié)到外殼的熱阻抗（RθJC）很重要，但封裝、電路板和系統(tǒng)散熱環(huán)境的函數(shù) - 結(jié)到環(huán)境熱阻抗（RθJA）要小得多。出于同樣的原因，很難看到散熱片用于這些應(yīng)用。
設(shè)計(jì)人員經(jīng)常假定目錄中較低電阻的MOSFET將具有較強(qiáng)的SOA。這背后的邏輯是 - 在相同的硅片生產(chǎn)中較低的電阻通常表明封裝內(nèi)部有較大的硅芯片，這確實(shí)產(chǎn)生了更好的SOA性能和更低的結(jié)至外殼熱阻抗。然而，隨著硅片的更新迭代提高了單位面積電阻（RSP），硅片也傾向于增加電池密度。硅芯片內(nèi)部的單元結(jié)構(gòu)越密集，芯片越容易發(fā)生熱擊穿。這就是為什么具有更高電阻的舊一代FET有時(shí)也具有更好SOA性能的原因。
首先要為MOSFET考慮的是選擇合適的擊穿電壓，一般為較大輸入電壓的1.5到2倍。例如，12V系統(tǒng)通常為25V或30V MOSFET，而48V系統(tǒng)通常為100V或在某些情況下達(dá)到150V MOSFET。
下一個(gè)考慮因素應(yīng)該是MOSFET的安全工作區(qū)（SOA），如數(shù)據(jù)表中的一條曲線。它特別有助于指示MOSFET在短時(shí)功率浪涌期間是如何影響熱擊穿的，這與在熱插拔應(yīng)用中必須吸收的情況并無(wú)二致。由于安全操作區(qū)域（SOA）是進(jìn)行適當(dāng)選擇重要的標(biāo)準(zhǔn)，請(qǐng)參照了解MOSFET數(shù)據(jù)表-SOA圖，該文詳細(xì)介紹TI如何進(jìn)行測(cè)量，然后生成設(shè)備數(shù)據(jù)表中顯示的MOSFET的SOA。
對(duì)于設(shè)計(jì)師而言，關(guān)鍵的問(wèn)題是FET可能會(huì)經(jīng)受的較大浪涌電流（或預(yù)計(jì)會(huì)限制到輸出）是多大，以及這種浪涌會(huì)持續(xù)多久。了解了這些信息，就可以相對(duì)簡(jiǎn)單地在設(shè)備數(shù)據(jù)表的SOA圖上查找相應(yīng)的電流和電壓差。
例如，如果設(shè)計(jì)輸入電壓為48V，并且希望在8ms內(nèi)限制輸出電流不超過(guò)2A，設(shè)計(jì)師可以參考CSD19532KTT、CSD19535KTT和CSD19536KTT SOA的10ms曲線，并推斷出后兩種設(shè)備可能行得通，而CSD19532KTT則不行。由于CSD19535KTT已經(jīng)擁有足夠余量，對(duì)此種應(yīng)用來(lái)說(shuō)，更昂貴的CSD19536KTT可能提供過(guò)高的性能。
假定環(huán)境溫度為25?C，與在數(shù)據(jù)表上測(cè)量SOA的情況相同。由于最終應(yīng)用可能暴露于更熱的環(huán)境中，所以必須按照環(huán)境溫度與MOSFET較大結(jié)溫之比，按比例為SOA降額。例如，最終系統(tǒng)的較高環(huán)境溫度是70?C，可以使用SOA曲線降額公式為SOA曲線降額。
在這種情況下，CSD19535KTT的10ms，48V能力將從2.5A降至1.8A。由此推斷出特定的MOSFET可能不再適合該應(yīng)用，從而設(shè)計(jì)師應(yīng)該改選CSD19536KTT。
值得注意的是，這種降額方法假設(shè)MOSFET恰好在較大結(jié)溫下發(fā)生故障，雖然通常不會(huì)如此。假設(shè)在SOA測(cè)試中測(cè)得的失效點(diǎn)實(shí)際上發(fā)生在200?C或其他任意較高溫度下，計(jì)算的降額將更接近統(tǒng)一。也就是說(shuō)，這種降額方法的計(jì)算不是保守的算法。
SOA還將決定MOSFET封裝類型。D2PAK封裝可以容納大型硅芯片，所以它們?cè)诟吖β实膽?yīng)用中非常流行。較小的5mm×6mm和3.3mm×3.3mm四方扁平無(wú)引線（QFN）封裝更適合低功率應(yīng)用。為抵御小于5-10A的浪涌電流，MOSFET通常與控制器集成在一起。
（1）穿通擊穿的擊穿點(diǎn)軟，擊穿過(guò)程中，電流有逐步增大的特征，這是因?yàn)楹谋M層擴(kuò)展較寬，產(chǎn)生電流較大。另一方面，耗盡層展寬大容易發(fā)生DIBL效應(yīng)，使源襯底結(jié)正偏出現(xiàn)電流逐步增大的特征。
（2）穿通擊穿的軟擊穿點(diǎn)發(fā)生在源漏的耗盡層相接時(shí)，此時(shí)源端的載流子注入到耗盡層中，被耗盡層中的電場(chǎng)加速達(dá)到漏端，因此，穿通擊穿的電流也有急劇增大點(diǎn)，這個(gè)電流的急劇增大和雪崩擊穿時(shí)電流急劇增大不同，這時(shí)的電流相當(dāng)于源襯底PN結(jié)正向?qū)〞r(shí)的電流，而雪崩擊穿時(shí)的電流主要為PN結(jié)反向擊穿時(shí)的雪崩電流，如不作限流，雪崩擊穿的電流要大。
（3）穿通擊穿一般不會(huì)出現(xiàn)破壞性擊穿。因?yàn)榇┩〒舸﹫?chǎng)強(qiáng)沒(méi)有達(dá)到雪崩擊穿的場(chǎng)強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)。
（4）穿通擊穿一般發(fā)生在溝道體內(nèi)，溝道表面不容易發(fā)生穿通，這主要是由于溝道注入使表面濃度比濃度大造成，所以，對(duì)NMOS管一般都有防穿通注入。
（5）一般的，鳥嘴邊緣的濃度比溝道中間濃度大，所以穿通擊穿一般發(fā)生在溝道中間。
（6）多晶柵長(zhǎng)度對(duì)穿通擊穿是有影響的，隨著柵長(zhǎng)度增加，擊穿增大。而對(duì)雪崩擊穿，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)也有影響，但是沒(méi)有那么顯著。
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