不再雾里看花 全面认识MOSFET

在上期杂志中,我们介绍了板卡开关电源电路中常见的PWM芯片特点,在本期文章中我们就和大家一起来继续探讨一下与PWM芯片相辅相成的MOSFET元件的特点。现代板卡为什么会首选
MOSFET做为供电元器件呢？目前主流的MOSFET有何特点呢？在本期文章中我们就和大家一起来全面了解一下这个熟悉而又陌生的元件。

MOSFET是什么？

在各种开关电源的开关电路中，我们都可看到MOSFET的身影。在主板中，该元器件常位于CPU插座和主板外部接口之间，在内存插槽和外部显卡插槽的旁边也有零星分布。在显卡上，显卡的核心和显存供电部位皆可见到该元器件。从元器件排列状况来看，MOSFET常以2个一组或1上2下(3个)、2上2下(4个)排列，由多组成对同类元件组成多相供电单元，与PWM芯片、电感、电容等元器件一起为CPU/GPU等部件提供稳定电压。

采用D-PAK封装的MOSFET，4相供电，每相采用三个MOS管

MOSFET究竟是什么呢？MOSFET的英文全称是Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，中文意思为金属氧化物半导体型场效应管。如果将这个英文拆开来看，我们可以发现该元器件的基本特点—Metal=金属、Oxide=氧化物、Semiconductor=半导体、Field Effect=场效应、Transistor=晶体管，所以MOSFET就是以金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应晶体管，是由金属、氧化物(SiO2或SiN)及半导体三种材料制成的器件。所以很多人也常将MOSFET简称为“MOS管”或“场效应管”。

采用D-PAK封装的主板内存部位的MOSFET

MOSFET与开关电源技术的广泛应用密切相关。众所周知，开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管(如MOSFET)的开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源技术，所以MOSFET属于一种标准的(电)压控(制)元件。

采用D-PAK封装的显卡显存部位的MOSFET

从这种开关电源的基本工作原理就可看出，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC、2个及多个MOSFET、电容、电感等元器件构成，在工作时，由PWM芯片进行控制，电流先通过上桥MOSFET流入，利用线圈的存储功能，将电能集聚在线圈中，然后关闭上桥MOSFET管，打开下桥的MOSFET，线圈和电容持续给外部供电。然后又关闭下桥MOSFET，再打开上桥让电流进入，如此反复进行，轮流的开关(导通)MOSFET，以形成稳定的电压供应。这也就是“开关”电源这一名称的来历。

在板卡上广泛应用的DC→DC开关电源的基本原理

目前开关电源技术已被广泛地应用于各种电源中，包含常见的AC(交流)→DC(直流)，如PC电源、笔记本电脑的电源适配器、液晶显示器的供电部位；DC(直流)→DC(直流)，如常见的主板处理器供电电路、显卡供电电路、数码相机直流电路等应用形态。MOSFET也因为开关电源技术的广泛应用而倍受关注。

从封装认识MOSFET

相比传统的线性电路中的二极管、三极管等元器件，MOSFET是一种多路导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频特性好、热稳定性优良、驱动电路简单、驱动功率小、安全工作区宽、无二次击穿问题等显著优点，能为现代电子设备提供稳定的电压。

SOT封装，可以看做是被小型化了的D-PAK

早期常见的MOSFET多采用D-PAK封装，它是一种简单的的表面贴片封装。共有三个脚，分别为栅极(G)、漏极(D)、源极(S)，通过PWM芯片在G、S间加控制信号便可改变D、S间的导通和截止状态。而为了更好散热，一般都将漏极(D)的引脚剪断不用，而用底部连通的漏极散热片做漏极(D)，这样可以将该元件直接焊接在PCB线路板上，利用PCB板扩大散热范围。与其类似的有SOT(Small Out-Line Transistor)封装的小功率MOSFET，其也是一种贴片型封装，但体积比D-PAK封装更小。

8脚贴片式是SOP-8封装的基本特征

此外，SOP及TSOP也常见于MOSFET封装。SOP(Small Out-Line，小外形封装，也被称为SO)是一种很常见的封装形式，SOP封装的应用范围很广，逐渐派生出SOJ(J型引脚小外形封装)、TSOP(薄小外形封装)、VSOP(甚小外形封装)、SSOP(缩小型SOP)、TSSOP(薄的缩小型SOP)。其常见的有SOP-8、SOP-16等不同针脚的封装形式(后面的数字为针脚数)。而在常用的SOP-8的基础上，众多的厂商又推出了自家的相关兼容新封装技术。例如，Philps的LFPAK和QLPAK封装，意法半导体的Power SO-8封装，安森美的WDFN8封装，威世的Power-PAK和Polar-PAK封装，瑞萨的WPAK、LFPAK封装等。

一款GT250显卡采用了6+2相供电，其使用的MOSFET采用了SOP-8封装。

近几年，又出现了QFN(Quad Flat Non-leaded package，方形扁平无引脚封装)形式的MOSFET，QFN是一种无引脚封装，呈正方形或矩形，封装底部中央位置有一个大面积裸露的焊盘，具有导热的作用，在大焊盘的封装外围有实现电气连接的导电焊盘。

由于QFN封装不像传统的SO与TSOP封装那样具有鸥翼状引线，内部引脚与焊盘之间的导电路径短，自感系数以及封装体内布线电阻很低，所以，它能提供卓越的电气性能。通常，将散热焊盘直接焊接在PCB电路板上，并且PCB中的散热孔有助于将多余的功耗扩散到铜接地板中，从而吸收多余的热量。所以其正逐步被新一代高集成度的MOSFET做为主要封装形式。

QFN封装的MOS管通过外露的引线框架焊盘提供了出色的散热性能，
该焊盘具有直接散热的通道，用于释放封装内的热量。

而在MOSFET自身技术的改进方面，如何通过改进内部互连技术，降低阻抗提高效能成为关键。并且，如何更好的为MOSFET散热也成为近几年发展的一个动向。早期采用增加漏极散热板与PCB线路板接触面积的方式来加强散热，而在这之后出现了将漏极(D)的散热板朝上，在上面加装散热片进行散热的封装形式，如瑞萨的LFPAK-i封装、IR的Direct FET封装。并且还出现了双面都可以散热的设计，如威世的Polar-PAK封装。这让新一代板卡的MOSFET管上因此都有一列散热片覆盖。

MOSFET在目前板卡中的应用

随着处理器和GPU技术的不断跃进、功耗的不断提升，这类产品对电源电路的供电需求也越来越高。目前主流的板卡已从从前的单相供电、两相供电，纷纷迈入多相供电时代，一些高端产品甚至具备两位数的供电电路(如24相)，以确保CPU的供电充足、电压稳定。通过板卡上的电感(通常为位于MOSFET旁的黑色正方体元件，也有铜线线圈状的铁氧体电感)数量及MOSFET数量(2～4个)，就可基本判定这个板卡采用了几相供电，每相供电使用了几个MOSFET。

TI的DualCool NexFET功率MOSFET具备高效的“双面散热技术”可将允许通过场管的电流提高50%，可将封装顶部热阻从10～15℃/W降至.2℃/W，从而将该封装所能承受的功耗提升80%，设计人员无需增加终端设备尺寸，即可高度灵活地使用需要更高电流驱动的处理器。

一款低端显卡，只配备了1相核心+1相显存的供电模式，采用的是D-PAK封装。

一款主流主板，采用了8+2相供电模式，采用的是SOP-8封装。

在MOSFET发展的过程中，还出现了“MOSFET driver(MOSFET驱动芯片)”这样的外围元件，这种驱动IC可有效地与低导通电阻功率MOSFET配合使用。凭借内部引导二极管，MOSFET driver能驱动N通道高端MOSFET，减少外部元件数量。同时，它的内部先断后接电路能防止在外部MOSFET中产生击穿电流。在低输出电流的情况下，其同步启动控制插脚能断开低端或同步MOSFET，从而大程度地提高效率。在供电电压低于额定电压时，这类新型MOSFET驱动芯片的内部欠压闭锁功能可防止MOSFET闸门驱动，从而确保仅在闸门电压足够的情况下启动输出MOSFET。其被一些中高端板卡所采用，可更好地提升板卡的性能和稳定性、超频性，值得用户在选用板卡时关注。

Microchip推出的低功率MOSFET栅极驱动IC，采用SOT封装。

全整合的DrMOS芯片，采用QFN封装。

此外，新手需要注意MOSFET driver和PWM芯片的一些不同，不要混为一谈，虽然两者都能通过互集成来实现更低的成本。随着技术的发展，全整合的DrMOS芯片也正被中高端板卡采用。DrMOS(整合式驱动器MOSFET)是由Intel公司提出的半导体装置封装标准，它可将传统MOSFET供电中分离的两组MOS管和驱动IC(MOSFET driver)以更加先进的工艺整合在一块芯片中，能够让PC在工作时更稳定，更节能。为什么DrMOS这种整合式MOSFET驱动器能更稳定更节能呢？这是因为MOS管就像一个“开关”，闭合时允许电流通过，断开时切断电流。闭合时由于内部电阻，通过的电流会消耗在其上而形成无用功，断开时由于晶体管电极间的漏电流也会消耗而作无用功。MOS管的高温多由这两种因素产生，而DrMOS将这个“开关电路”整合在一个晶片内，使其“开关”切换时间更短，内部电阻和漏电流更低，效能也就高。

本期看点

1.MOSFET金属氧化物半导体型场效应管是开关电路的重要组成部分。
2.在主流板卡中MOSFET主要有D-PAK、SOP-8、QFN三类常见封装形式。
3.在主板和显卡的开关电路中MOSFET被广泛应用，每相供电电路常会使用2～4个MOS管，而不仅是2个。
4.整合式驱动器MOSFET(DrMOS)可将传统MOSFET供电中分离的两组MOS管和驱动IC(MOSFET driver)以更加先进的工艺整合在一块芯片中。