好文共賞|如何選擇線性穩壓電路的MOSFET-KIA MOS管

MOSFET之線性穩壓電路

選擇線性穩壓電路的金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET,(Metal-Oxide- SemiconductorField-Effect Transistor)有許多的重要考慮，本文將簡介使用MOSFET之線性穩壓電路、計算線性穩壓電路中MOSFET的消耗功率，并從MOSFET規格表中找出最小所需之閘極-源極電壓，以及計算MOSFET最大所需導通電阻值與MOSFET內部半導體接面溫度，并有設計實例做為參考。

使用MOSFET之線性穩壓電路簡介

“Vout”為額定輸出電壓、“Vin”為額定輸入電壓、“Iout”為額定輸出電流、“Vgate為從控制芯片輸出之閘極電壓。

計算線性穩壓電路中MOSFET的消耗功率

MOSFET的總消耗功率(Pdis)

Pdis=(Vin-Vout) * Iout

從MOSFET規格表中找出最小所需之閘極-源極電壓

首先我們要確定最大額定輸出電流值，對照轉換特性圖(transfer characteristics)找出最小所需之閘極-源極電壓，便可查詢控制芯片輸出電壓是否大于最小所需之閘極電壓。

計算MOSFET最大所需導通電阻值

假設最大所需導通電阻值表示為Rds(on)max

Rds(on)max=(Vin-Vout)/Iout

若MOSFET工作時的導通電阻小于最大所需導通電阻值Rds(on)max 則此MOSFET為堪用組件。

計算MOSFET內部半導體接面溫度

參考MOSFET外殼溫度(Tc)計算出MOSFET內部半導體接面溫度(Tj)

Tj=Tc+(Rth(jc)*Pdis)

Tj為MOSFET內部半導體接面溫度，Tc為MOSFET接著平面的溫度，Rth(jc) 為接面至表面熱阻系數，要注意的是部份溫度量測儀器不可直接接觸帶電物體。

設計實例

設計規格說明

Vin=2.8V , Vout=2.5V , Iout=10A

MOSFET的總消耗功率(Pdis)

Pdis=(Vin-Vout) * Iout = (2.8-2.5)*10= 3 (watt)

從MOSFET規格表中找出最小所需之閘極-源極電壓，由下圖可得知最小所需之閘極-源極電壓為3.3伏特。

計算MOSFET最大所需導通電阻值

Rds(on)max=(Vin-Vout)/Iout= (2.8-2.5)/10= 30 (mΩ)

圖3中的藍色實線表示最大額定輸出電流為10安培，而紅色實線表示導通電阻值為60milli-Ω，其值大于30 milli-Ω,故不適用。綠色實線表示導通電阻值為30 milli-Ω，故紫色虛線區域為安應用區。而導通電阻值為30 milli-Ω時對應至閘-源極最小電壓為3.65伏特。

輸出電壓為2.5伏特且閘-源極最小電壓為3.65伏特，由以下計算可得知閘極電壓必需大于6.15伏特。

Vgs = Vg-Vs = Vg-2.5. So Vg = Vgs+2.5 = 6.15 (V)--- 最小所需之閘極電壓

參考MOSFT外殼溫度(Tc)計算出MOSFET內部半導體接面溫度(Tj)

若設定Tc為70℃而且Pdis為3 watt，于圖4中可得知Rth(jc)為 3.2 K/W。

Tj=Tc+(Rth(Jc)*Pdis)=70+(3.2*3)=79.6℃

結論

基于以上說明，我們可以得知MOSFET的最大額定汲極電流(ID)必須大于輸出額定電流,脈波信號控制芯片的輸出至閘極之電壓準位必須大于最小所需閘極-源極電壓，MOSFET的表面溫度與內部接面溫度是相關聯的。

若降低接面溫度則同樣條件下，其內部接面溫度亦會下降。降低表面溫度的方法有二種。第一為于PCB板上預留較多空間于MOSFET周圍，使其較易散。另一方法為降低輸出端與輸入端之電壓差，以降低功率損耗，進而降低MOSFET表面溫度。

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