功率MOS管的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，能夠自動(dòng)均流，因此可以并聯(lián)工作。從MOSFET數(shù)據(jù)表的傳輸特性可以看到，25℃和175℃的VGS電壓與ID電流值有一個(gè)交點(diǎn)，此交點(diǎn)的VGS為轉(zhuǎn)折電壓。在VGS轉(zhuǎn)折電壓以下的部分，RDS(ON)為負(fù)溫度系數(shù)；而在VGS轉(zhuǎn)折電壓以上的部分，RDS(ON)為正溫度系數(shù)，這樣的特性要求在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要特別考慮VGS在轉(zhuǎn)折電壓以下的工作區(qū)域[1-2]。
    在LCDTV及筆記本電腦的主板上，不同電壓的多路電源在做時(shí)序的切換。此外，這些電源通常后面帶有較大的電容，可限制電容在充電過(guò)程中產(chǎn)生的浪涌電流，以保護(hù)后面所帶的負(fù)載芯片的安全。因此，在這些不同電壓的多路電源主回路中通常插入由功率MOS管分立元件組成的負(fù)載開關(guān)電路。在這個(gè)電路中，功率MOS管有很長(zhǎng)一段時(shí)間工作于VGS轉(zhuǎn)折電壓以下的RDS(ON)為負(fù)溫度系數(shù)的區(qū)域，因此要優(yōu)化相關(guān)外圍電路元件參數(shù)的選擇。
1 分立元件組成的負(fù)載開關(guān)電路及工作原理
    分立元件組成的負(fù)載開關(guān)電路原理如圖1所示，

    圖1(b)中，開通過(guò)程充電回路為C1、R2//R1，放電回路為C1、R1。圖1(a)的充放電的電阻是獨(dú)立的，因此可以方便地選擇相關(guān)的值。圖1(b)中，充電回路的電阻為R2和R1并聯(lián)值，因此參數(shù)的計(jì)算較復(fù)雜，主要應(yīng)用于高輸入電壓值的電路中，通過(guò)R1和R2分壓設(shè)定最大的G極電壓值。
2 負(fù)溫度系數(shù)局部過(guò)熱
    在開通過(guò)程中，VGS的電壓從閾值電壓增加到米勒平臺(tái)電壓的時(shí)間與G極的充電電流、輸入電容相關(guān)；米勒平臺(tái)的時(shí)間與G極的充電電流、米勒電容相關(guān)。這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗，導(dǎo)致功率MOS管的溫度升高。MOS管為AO4407A的閾值電壓到米勒平臺(tái)電壓的時(shí)間為2.5 ms，米勒平臺(tái)電壓的時(shí)間約為21 ms，在這種控制輸入的浪涌電流的應(yīng)用中，要求功率MOS管有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)工作于放大區(qū)，也就是從導(dǎo)通到米勒平臺(tái)結(jié)束的時(shí)間內(nèi)，功率MOS管都工作于放大區(qū)。
    由于功率MOS管的傳輸特性和溫度對(duì)其傳輸特性的影響，VGS有一個(gè)轉(zhuǎn)折電壓，在開通的過(guò)程中，RDS(on)從負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域向正溫度系數(shù)區(qū)域跨越，而在關(guān)斷過(guò)程中，RDS(on)從正溫度系數(shù)區(qū)域向負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域跨越。事實(shí)上，在功率MOS管內(nèi)部，由大量的晶胞并聯(lián)而成，各個(gè)晶胞單元的RDS(on)在開關(guān)過(guò)程中，動(dòng)態(tài)的跨越負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)熱。當(dāng)某個(gè)區(qū)域單元的溫度較高時(shí)，其導(dǎo)通壓降降低，周邊的電流都會(huì)匯聚在這個(gè)區(qū)域，產(chǎn)生電流的涌聚，也就產(chǎn)生部分區(qū)域熱點(diǎn)。一些大電流的應(yīng)用要求小的導(dǎo)通電阻，而MOS管的晶胞單元密度高，各個(gè)單元的距離更小。另外，由于硅片單元特性及結(jié)構(gòu)不一致性、封裝時(shí)硅片與框架焊接結(jié)面局部的空隙，容易形成局部的大電流的單元(即熱點(diǎn))，其自身的溫度增加，同時(shí)也使其鄰近的單元的溫度增加[3]。
    AO4407A的數(shù)據(jù)表轉(zhuǎn)折電壓大于5 V，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，器件的增益與溫度無(wú)關(guān)，溫度系數(shù)為0，AO4407A用于負(fù)載開關(guān)。米勒平臺(tái)電壓約為3 V，低于5 V，這表明功率MOS強(qiáng)迫工作于線性模式(即放大區(qū))時(shí)，其RDS(on)工作于負(fù)溫度系數(shù)區(qū)。
    當(dāng)內(nèi)部產(chǎn)生熱不平衡時(shí)，局部溫度升高，導(dǎo)致這些區(qū)域的VGS降低。而流過(guò)這些區(qū)域單元的電流卻進(jìn)一步增加，使功耗增加，進(jìn)而促使溫度又進(jìn)一步上升。其溫度上升取決于功率脈沖電流的持續(xù)時(shí)間、散熱條件和功率MOS單元的設(shè)計(jì)特性，熱失衡導(dǎo)致大電流集中到一個(gè)局部區(qū)域，形成熔絲效應(yīng)，產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，最后導(dǎo)致這些區(qū)域單元的柵極失控，功率MOS內(nèi)部寄生的三極導(dǎo)通，從而損壞器件。
3 設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化及器件選擇
3.1 封裝及熱阻的影響
    基于圖1(a)的電路圖，以AO4407A和AOD413A做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，輸入電壓為12 V，兩個(gè)元件的參數(shù)如表1所示。AO4407A的封裝為SO8，AOD413A封裝為TO252。AOD413A的封裝體積大，其熱阻小，允許耗散的功率大。由于C1遠(yuǎn)大于兩個(gè)元件的輸入電容，C2遠(yuǎn)大于兩個(gè)元件的米勒電容，因此在電路中，元件本身的輸入電容和米勒電容可以忽略。如果外部的元件參數(shù)相同，在電路中用AO4407A和AOD413A，則兩者基本上具有相同的米勒平臺(tái)的時(shí)間，如圖2(a)、(b)所示。

    為了對(duì)比AOD413A和AO4407A抗熱沖擊的能力，延長(zhǎng)米勒平臺(tái)的時(shí)間到2.5 s，即將R2的電阻增大到910 k?贅，C2電容增大到3.1 μF。在此條件下做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，AO4407A的電路開關(guān)1～2次就損壞了，因AO4407A的熱阻較高為40℃/W。而AOD413A的電路開關(guān)多次，仍然可以正常工作。因?yàn)锳OD413A具有較低的熱阻(25℃/W)和較大的耗散功率，因此，在較長(zhǎng)的米勒平臺(tái)的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量可以充分的消散，局部過(guò)熱產(chǎn)生的熱不平衡的影響減小。G極的串聯(lián)電阻和米勒電容增加，除了米勒平臺(tái)的時(shí)間增加，同時(shí)，輸入浪涌電流的峰值也大幅度降低，輸入浪涌電流的峰值越小，對(duì)系統(tǒng)的沖擊就越小。但帶來(lái)的問(wèn)題是功率MOS管的熱損耗增加，也增大了損壞的可能性。實(shí)驗(yàn)波形如圖2(c)、(d)所示。
3.2 閾值電壓的影響
    通常對(duì)于功率MOS管，不同的閾值電壓對(duì)應(yīng)于不同的轉(zhuǎn)折電壓，閾值電壓越低，轉(zhuǎn)折電壓也越低。選用AO4403和AO4407A作對(duì)比實(shí)驗(yàn)，均為SO8封裝，閾值電壓不同，兩個(gè)MOS管具體的參數(shù)如表2所示。輸入電壓為12 V，R2=100 kΩ，C2=1 μF，可以看到兩者具有相同的2.7 A浪涌電流，AO4403的米勒平臺(tái)時(shí)間約為124 ms，米勒平臺(tái)電壓為-1 V；AO4407A的米勒平臺(tái)時(shí)間約為164 ms，米勒平臺(tái)電壓為-3.6 V。因此，同樣的外部參數(shù)，由于AO4403具有低閾值電壓，米勒平臺(tái)時(shí)間短，使得開通過(guò)程中產(chǎn)生的損耗減小，從而減小了系統(tǒng)的熱不平衡，提高了系統(tǒng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)波形如圖2(e)、(f)所示。

    基于電路圖1(b)進(jìn)一步做實(shí)驗(yàn)，輸入電壓為12 V，使用AO4449參數(shù)，R1=47 kΩ，R2=15 kΩ，對(duì)應(yīng)于不同的C1和CO的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。輸出的電容越大，浪涌電流也越大。為了達(dá)到同樣限定的浪涌電流值，使用C1的電容值越大，浪涌電流越小，但消耗的功率增加，功率MOS管的溫升也增加，使MOS管內(nèi)部晶胞單元的熱不平衡越大，也越容易損壞管子。

    (1)功率MOS管導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)對(duì)應(yīng)的VGS有一個(gè)轉(zhuǎn)折電壓，在轉(zhuǎn)折電壓以下，為負(fù)溫度系數(shù)，無(wú)法自動(dòng)平衡均流；在轉(zhuǎn)折電壓以上，為正溫度系數(shù)，可以自動(dòng)平衡均流。
    (2)功率MOS管在開關(guān)的過(guò)程中要跨越正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)區(qū)，并在米勒平臺(tái)處產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗。
    (3)負(fù)載開關(guān)電路通過(guò)增加米勒電容或輸入電容延長(zhǎng)米勒平臺(tái)時(shí)間來(lái)抑止浪涌電流，電容值越大、浪涌電流越小、開關(guān)損耗越大。由于米勒平臺(tái)處為負(fù)溫度系數(shù)，因此也越容易形成局部的熱點(diǎn)損壞。
    (4)減小輸出電容，提高功率MOS管的散熱能力（更大的封裝），選用低閾值電壓，可以提高系統(tǒng)的可靠性。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉松.理解功率MOSFET的開關(guān)損耗[J].今日電子，2009(10)：52-55.
[2] 劉松.理解功率MOSFET的RDS（ON）溫度系數(shù)特性[J]. 今日電子，2009(11)：25-26.
[3] International rectifier:AN1155[R].Linear Mode Operation of Radiation Hardened MOSFETS.1995.