工作于线性区的功率MOSFET的设计-1

1、概述

在笔记本电脑主板、LCDTV主板、STB机顶盒等电子系统应用中，内部有不同电压的多路电源，通常需要采用功率MOSFET作为负载切换开关，控制不同电压的电源的上电时序；同时还有USB接口，用于输出5V电压，这些电源通常后面带有较大的电容，也需要负载开关，限制后面电容在上电的过程中充电产生的大的浪涌电流，以保护后面所带的负载芯片的安全，同时不会导致前面的电源电压的跌落产生复位的问题。

笔记本电脑主板19V输入端，有二个背靠背的功率MOSFET，一个用于负载开关作软起动，限制浪涌电流，另一个用于防反接。

图1：笔记本电脑电源

图2：笔记本电脑主板输入电路

在通讯系统中，也广泛使用热插拨电路，由功率MOSFET组成的热插拨电路和上述的负载开关的功能类同。在这些应用中，通常在功率MOSFET的栅极和源极或栅极和漏极并联额外的电容，延长功率MOSFET在线性区的时间，以限制流涌的电流。从图7波形可以明显看到：功率MOSFET完全导通前，有比较长的一段时间工作于时间线性区。

图3：通信系统机房

图4：通信系统机柜板卡热插拨

图5：通信系统机柜

图6：通信系统板卡电路

图7：通信系统板卡热插拨波形

在电池保持板PCM过流关断的过程中，从波形可以看到：功率MOSFET同样也有较长的一段时间工作于线性区。

图8：电池保持板电路

图9：电池保持板关断波形

在一些输出电压需要低噪声的应用，如输出为12V、24V的供电电源，通常在开关电源输出的后面接线性的稳压器来降低噪声，由于成本考虑或找不到合适的集成线性稳压调节器，一般采用分立元件方案组成线性稳压调节器，使用中压的功率MOSFET作为调整管；在一些风扇或电机调速的应用中，也是采用功率MOSFET作调整管，通过控制VGS的电压，来调节漏极的电流，从而控制风扇、电机的转速。这些应用中，功率MOSFET完全工作在线性区。

然而，在开关电源中，功率MOSFET工作在完全关断或完全导通状态，通过线性区的速度比较快，也就是驱动电压VGS从阈值电压VGS(th)开始，到米勒平台结束的这段时间，比较快，即使如此，也产生了较大的开关损耗。

功率MOSFET工作完全工作在线性区或者长的时间工作在线性区，会产生非常大的功率损耗，产生高的热应力；同时由于工作电压高，内部电场大，容易发生单元热不平衡而局部失效的问题。功率MOSFET工作于线性区的这些问题，将用多篇文章进行论述，给出一些设计的参考思路。

2、功率MOSFET线性区工作

功率MOSFET也有三个工作状态，在漏极导通特性曲线上，对应的是三个工作区：截止区，线性区和可变电阻区。如图10所示。注意到：MOSFET的线性区有时也称为：恒流区或饱和区。

图10：AOT1404的漏极导通特性

在前面栅极电荷的章节，设计过功率MOSFET的开通过程。在漏极导通特性曲线上，当栅极的驱动电压加在栅极上时，由于栅极有输入电容，电容的电压不能突变，因此，栅极的电压随时间线性上升，此时功率MOSFET仍然工作在截止区，图10中A-B所示。

当栅极的电压上升到阈值电压时，漏极开始流过电流，此时，功率MOSFET进入到线性区。随着栅极的增加，漏极电流也增加，图10中B-C所示。这个过程中，VDS电压变化不大，CGD的电容小，因此很快的放电。 这一段时间也可称为di/dt时间段 。

漏极电流的变化值等于器件的跨导乘以栅极电压的变化值。

当漏极的电流达到系统的最大允许电流时，此时漏极电流不再增加，维持最大值并保持恒定，因此，栅极的电压受到跨导的限制，也要保持恒定，图10中C-D所示。

此时，功率MOSFET会在一段时间内工作在米勒平台区，即相对稳定的恒流区。栅极处于米勒平台区保持恒定的原因在于：漏极电压VDS开始降低，那么导致Crss两端的电压VGD也会随之急剧的变化。

从上式可以看到，只有大的电流才能产生大的VGD变化率，来抽取Crss的电荷，因此几乎所有栅极的电流都被Crss抽走。同时，Crss是一个动态参数，在漏极电压变化的过程中，Crss的电容值也会急剧的增加，此时动态的Crss主导着输入电容，这样，电容CGS相对而言其回路几乎没有电流，因此，栅极的电压会维持恒定，从而产生米勒平台。 这一段时间也可称为dv/dt时间段 。

当Crss的电荷全部抽走后，米勒平台结束，同时，VDS电压也降到最低值，即电流和此时的RDS(on)乘积。随后栅极电压继续增加，增加到驱动电压的最大值，如图10中D-E所示，此时功率MOSFET进入可变电阻区。

整个过程中，A-B为截止区，D-E为可变电阻区，B-C-D为线性工作区。线性区产生开关损耗，对于一个开关周期，此时间段越长，开关损耗越大。

具体的开关过程， di/dt时间段和 dv/dt时间段 ， 请参考公众号中以前的文章，有详细的论述。