【導讀】功率MOSFET有三個(gè)工作狀態(tài)，在漏極導通特性曲線(xiàn)上，對應的是三個(gè)工作區：截止區，線(xiàn)性區和可變電阻區。注意到：MOSFET的線(xiàn)性區有時(shí)也稱(chēng)為：恒流區或飽和區。
1、概述
在筆記本電腦主板、LCDTV主板、STB機頂盒等電子系統應用中，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(kāi)關(guān)，控制不同電壓的電源的上電時(shí)序；同時(shí)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(kāi)關(guān)，限制后面電容在上電的過(guò)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(shí)不會(huì )導致前面的電源電壓的跌落產(chǎn)生復位的問(wèn)題。
筆記本電腦主板19V輸入端，有二個(gè)背靠背的功率MOSFET，一個(gè)用于負載開(kāi)關(guān)作軟起動(dòng)，限制浪涌電流，另一個(gè)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(kāi)關(guān)的功能類(lèi)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(cháng)功率MOSFET在線(xiàn)性區的時(shí)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(cháng)的一段時(shí)間工作于時(shí)間線(xiàn)性區。
圖3：通信系統機房
圖4：通信系統機柜板卡熱插撥
圖5：通信系統機柜
圖6：通信系統板卡電路
圖7：通信系統板卡熱插撥波形
在電池保持板PCM過(guò)流關(guān)斷的過(guò)程中，從波形可以看到：功率MOSFET同樣也有較長(cháng)的一段時(shí)間工作于線(xiàn)性區。
圖8：電池保持板電路
圖9：電池保持板關(guān)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(kāi)關(guān)電源輸出的后面接線(xiàn)性的穩壓器來(lái)降低噪聲，由于成本考慮或找不到合適的集成線(xiàn)性穩壓調節器，一般采用分立元件方案組成線(xiàn)性穩壓調節器，使用中壓的功率MOSFET作為調整管；在一些風(fēng)扇或電機調速的應用中，也是采用功率MOSFET作調整管，通過(guò)控制VGS的電壓，來(lái)調節漏極的電流，從而控制風(fēng)扇、電機的轉速。這些應用中，功率MOSFET完全工作在線(xiàn)性區。
然而，在開(kāi)關(guān)電源中，功率MOSFET工作在完全關(guān)斷或完全導通狀態(tài)，通過(guò)線(xiàn)性區的速度比較快，也就是驅動(dòng)電壓VGS從閾值電壓VGS(th)開(kāi)始，到米勒平臺結束的這段時(shí)間，比較快，即使如此，也產(chǎn)生了較大的開(kāi)關(guān)損耗。
功率MOSFET工作完全工作在線(xiàn)性區或者長(cháng)的時(shí)間工作在線(xiàn)性區，會(huì )產(chǎn)生非常大的功率損耗，產(chǎn)生高的熱應力；同時(shí)由于工作電壓高，內部電場(chǎng)大，容易發(fā)生單元熱不平衡而局部失效的問(wèn)題。功率MOSFET工作于線(xiàn)性區的這些問(wèn)題，將用多篇文章進(jìn)行論述，給出一些設計的參考思路。
2、功率MOSFET線(xiàn)性區工作
功率MOSFET也有三個(gè)工作狀態(tài)，在漏極導通特性曲線(xiàn)上，對應的是三個(gè)工作區：截止區，線(xiàn)性區和可變電阻區。如圖10所示。注意到：MOSFET的線(xiàn)性區有時(shí)也稱(chēng)為：恒流區或飽和區。
圖10：AOT1404的漏極導通特性
在前面柵極電荷的章節，設計過(guò)功率MOSFET的開(kāi)通過(guò)程。在漏極導通特性曲線(xiàn)上，當柵極的驅動(dòng)電壓加在柵極上時(shí)，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(shí)間線(xiàn)性上升，此時(shí)功率MOSFET仍然工作在截止區，圖10中A-B所示。
當柵極的電壓上升到閾值電壓時(shí)，漏極開(kāi)始流過(guò)電流，此時(shí)，功率MOSFET進(jìn)入到線(xiàn)性區。隨著(zhù)柵極的增加，漏極電流也增加，圖10中B-C所示。這個(gè)過(guò)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(shí)間也可稱(chēng)為di/dt時(shí)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的最大允許電流時(shí)，此時(shí)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(shí)，功率MOSFET會(huì )在一段時(shí)間內工作在米勒平臺區，即相對穩定的恒流區。柵極處于米勒平臺區保持恒定的原因在于：漏極電壓VDS開(kāi)始降低，那么導致Crss兩端的電壓VGD也會(huì )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(lái)抽取Crss的電荷，因此幾乎所有柵極的電流都被Crss抽走。同時(shí)，Crss是一個(gè)動(dòng)態(tài)參數，在漏極電壓變化的過(guò)程中，Crss的電容值也會(huì )急劇的增加，此時(shí)動(dòng)態(tài)的Crss主導著(zhù)輸入電容，這樣，電容CGS相對而言其回路幾乎沒(méi)有電流，因此，柵極的電壓會(huì )維持恒定，從而產(chǎn)生米勒平臺。這一段時(shí)間也可稱(chēng)為dv/dt時(shí)間段。
當Crss的電荷全部抽走后，米勒平臺結束，同時(shí)，VDS電壓也降到最低值，即電流和此時(shí)的RDS(on)乘積。隨后柵極電壓繼續增加，增加到驅動(dòng)電壓的最大值，如圖10中D-E所示，此時(shí)功率MOSFET進(jìn)入可變電阻區。
整個(gè)過(guò)程中，A-B為截止區，D-E為可變電阻區，B-C-D為線(xiàn)性工作區。線(xiàn)性區產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，對于一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，此時(shí)間段越長(cháng)，開(kāi)關(guān)損耗越大。
來(lái)源：松哥電源
