詳解mos管原理及幾種常見(jiàn)失效分析

　　mos管是金屬（metal）—氧化物（oxide）—半導體（semiconductor）場(chǎng)效應晶體管，或者稱(chēng)是金屬—絕緣體（insulator）—半導體。mos管的source和drain是可以對調的，他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下，這個(gè)兩個(gè)區是一樣的，即使兩端對調也不會(huì )影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱(chēng)的。

　　mos管—工作原理

　　mos管的工作原理（以N溝道增強型mos場(chǎng)效應管）它是利用VGS來(lái)控制“感應電荷”的多少，以改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況，然后達到控制漏極電流的目的。在制造管子時(shí)，通過(guò)工藝使絕緣層中出現大量正離子，故在交界面的另一側能感應出較多的負電荷，這些負電荷把高滲雜質(zhì)的N區接通，形成了導電溝道，即使在VGS=0時(shí)也有較大的漏極電流ID。當柵極電壓改變時(shí)，溝道內被感應的電荷量也改變，導電溝道的寬窄也隨之而變，因而漏極電流ID隨著(zhù)柵極電壓的變化而變化。

　　mos管—N型/P型

　　mosFET可以分成增強型和耗盡型，每一種又可以分成N溝道和P溝道。

　　不過(guò)現實(shí)中，耗盡型的類(lèi)型很少，而P溝道也比較少，最多的就是N溝道增強型mosFET，也就是增強型N-mosFET。

　　大部分mos管的外觀(guān)極其類(lèi)似，常見(jiàn)的封裝種類(lèi)有TO252，TO220，TO92，TO3，TO247等等，但具體的型號有成千上萬(wàn)種，因此光從外觀(guān)是無(wú)法區分的。對于不熟悉型號，經(jīng)驗又比較少的人來(lái)說(shuō)，比較好的方法就是查器件的datasheet（pdf格式，一般是英文），里面會(huì )詳細告訴你，它的類(lèi)型和具體參數，這些參數對于你設計電路極有用。

　　我們區分類(lèi)型，一般就是看型號，比如IRF530，IRF540，IRF3205，IRPF250等這些都是很常見(jiàn)的增強型N-mosFET，而對應的IRF9530，IRF9540就是增強型P-mosFET，耗盡型的兩種，我至今還沒(méi)在實(shí)際電路中看到過(guò)具體的器件。

　　結型管（J-FET）與mosFET并不互相包含，反而是并列關(guān)系，這兩種是場(chǎng)效應管的兩種類(lèi)型，而JFET也可以分成N-JFET和P-JFET兩種，像2SK117，2SK596都是常見(jiàn)的N-JFET型號，不過(guò)P-JFET的具體型號我還沒(méi)見(jiàn)過(guò)，一般都融入了集成電路設計（IC設計）中。　　

　　無(wú)論N型或者P型mos管，其工作原理本質(zhì)是一樣的。mos管是由加在輸入端柵極的電壓來(lái)控制輸出端漏極的電流。mos管是壓控器件它通過(guò)加在柵極上的電壓控制器件的特性，不會(huì )發(fā)生像三極管做開(kāi)關(guān)時(shí)的因基極電流引起的電荷存儲效應，因此在開(kāi)關(guān)應用中，mos管的開(kāi)關(guān)速度應該比三極管快。

　　Nmos的特性：Vgs大于一定的值就會(huì )導通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅動(dòng)），只要柵極電壓達到一定電壓（如4V或10V， 其他電壓，看手冊）就可以了。

　　Pmos的特性：Vgs小于一定的值就會(huì )導通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅動(dòng)）。但是，雖然Pmos可以很方便地用作高端驅動(dòng)，但由于導通電阻大，價(jià)格貴，替換種類(lèi)少等原因，在高端驅動(dòng)中，通常還是使用Nmos。

　　mos管—失效的6大原因

　　mos管的source和drain是可以對調的，他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下，這個(gè)兩個(gè)區是一樣的，即使兩端對調也不會(huì )影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱(chēng)的。

　　目前在市場(chǎng)應用方面，排名第一的是消費類(lèi)電子電源適配器產(chǎn)品。而mos管的應用領(lǐng)域排名第二的是計算機主板、NB、計算機類(lèi)適配器、LCD顯示器等產(chǎn)品，隨著(zhù)國情的發(fā)展計算機主板、計算機類(lèi)適配器、LCD顯示器對mos管的需求有要超過(guò)消費類(lèi)電子電源適配器的現象了。

　　第三的就屬網(wǎng)絡(luò )通信、工業(yè)控制、汽車(chē)電子以及電力設備領(lǐng)域了，這些產(chǎn)品對于mos管的需求也是很大的，特別是現在汽車(chē)電子對于mos管的需求直追消費類(lèi)電子了。

　　下面對mos失效的原因總結以下六點(diǎn)，然后對1，2重點(diǎn)進(jìn)行分析：

　　1：雪崩失效（電壓失效），也就是我們常說(shuō)的漏源間的BVdss電壓超過(guò)mosFET的額定電壓，并且超過(guò)達到了一定的能力從而導致mosFET失效。

　　2：SOA失效（電流失效），既超出mosFET安全工作區引起失效，分為Id超出器件規格失效以及Id過(guò)大，損耗過(guò)高器件長(cháng)時(shí)間熱積累而導致的失效。

　　3：體二極管失效：在橋式、LLC等有用到體二極管進(jìn)行續流的拓撲結構中，由于體二極管遭受破壞而導致的失效。

　　4：諧振失效：在并聯(lián)使用的過(guò)程中，柵極及電路寄生參數導致震蕩引起的失效。

　　5：靜電失效：在秋冬季節，由于人體及設備靜電而導致的器件失效。

　　6：柵極電壓失效：由于柵極遭受異常電壓尖峰，而導致柵極柵氧層失效。

　　雪崩失效分析（電壓失效）

　　到底什么是雪崩失效呢，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)mosFET在電源板上由于母線(xiàn)電壓、變壓器反射電壓、漏感尖峰電壓等等系統電壓疊加在mosFET漏源之間，導致的一種失效模式。簡(jiǎn)而言之就是由于就是mosFET漏源極的電壓超過(guò)其規定電壓值并達到一定的能量限度而導致的一種常見(jiàn)的失效模式。

　　下面的圖片為雪崩測試的等效原理圖，做為電源工程師可以簡(jiǎn)單了解下。

　　可能我們經(jīng)常要求器件生產(chǎn)廠(chǎng)家對我們電源板上的mosFET進(jìn)行失效分析，大多數廠(chǎng)家都僅僅給一個(gè)EAS.EOS之類(lèi)的結論，那么到底我們怎么區分是否是雪崩失效呢，下面是一張經(jīng)過(guò)雪崩測試失效的器件圖，我們可以進(jìn)行對比從而確定是否是雪崩失效。

　　雪崩失效的預防措施

　　雪崩失效歸根結底是電壓失效，因此預防我們著(zhù)重從電壓來(lái)考慮。具體可以參考以下的方式來(lái)處理。

　　1：合理降額使用，目前行業(yè)內的降額一般選取80%-95%的降額，具體情況根據企業(yè)的保修條款及電路關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行選取。

　　2：合理的變壓器反射電壓。

　　3：合理的RCD及TVS吸收電路設計。

　　4：大電流布線(xiàn)盡量采用粗、短的布局結構，盡量減少布線(xiàn)寄生電感。

　　5：選擇合理的柵極電阻Rg。

　　6：在大功率電源中，可以根據需要適當的加入RC減震或齊納二極管進(jìn)行吸收。

　　SOA失效（電流失效）

　　再簡(jiǎn)單說(shuō)下第二點(diǎn)，SOA失效

　　SOA失效是指電源在運行時(shí)異常的大電流和電壓同時(shí)疊加在mosFET上面，造成瞬時(shí)局部發(fā)熱而導致的破壞模式?；蛘呤切酒c散熱器及封裝不能及時(shí)達到熱平衡導致熱積累，持續的發(fā)熱使溫度超過(guò)氧化層限制而導致的熱擊穿模式。

　　關(guān)于SOA各個(gè)線(xiàn)的參數限定值可以參考下面圖片。

　　1：受限于最大額定電流及脈沖電流

　　2：受限于最大節溫下的RDSON。

　　3：受限于器件最大的耗散功率。

　　4：受限于最大單個(gè)脈沖電流。

　　5：擊穿電壓BVDSS限制區

　　我們電源上的mosFET，只要保證能器件處于上面限制區的范圍內，就能有效的規避由于mosFET而導致的電源失效問(wèn)題的產(chǎn)生。

　　這個(gè)是一個(gè)非典型的SOA導致失效的一個(gè)解刨圖，由于去過(guò)鋁，可能看起來(lái)不那么直接，參考下。

　　SOA失效的預防措施：

　　1：確保在最差條件下，mosFET的所有功率限制條件均在SOA限制線(xiàn)以?xún)取?/p>

　　2：將OCP功能一定要做精確細致。

　　在進(jìn)行OCP點(diǎn)設計時(shí)，一般可能會(huì )取1.1-1.5倍電流余量的工程師居多，然后就根據IC的保護電壓比如0.7V開(kāi)始調試RSENSE電阻。有些有經(jīng)驗的人會(huì )將檢測延遲時(shí)間、CISS對OCP實(shí)際的影響考慮在內。但是此時(shí)有個(gè)更值得關(guān)注的參數，那就是mosFET的Td（off）。它到底有什么影響呢，我們看下面FLYBACK電流波形圖（圖形不是太清楚，十分抱歉，建議雙擊放大觀(guān)看）。

　　從圖中可以看出，電流波形在快到電流尖峰時(shí)，有個(gè)下跌，這個(gè)下跌點(diǎn)后又有一段的上升時(shí)間，這段時(shí)間其本質(zhì)就是IC在檢測到過(guò)流信號執行關(guān)斷后，mosFET本身也開(kāi)始執行關(guān)斷，但是由于器件本身的關(guān)斷延遲，因此電流會(huì )有個(gè)二次上升平臺，如果二次上升平臺過(guò)大，那么在變壓器余量設計不足時(shí)，就極有可能產(chǎn)生磁飽和的一個(gè)電流沖擊或者電流超器件規格的一個(gè)失效。

　　3：合理的熱設計余量，這個(gè)就不多說(shuō)了，各個(gè)企業(yè)都有自己的降額規范，嚴格執行就可以了，不行就加散熱器。