MOS管设计如何防反接电路

发布时间：2024-01-15 11:10
作者：AMEYA360
来源：网络
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　　电子元件大都是使用直流工作，电源线反接就有可能就会烧坏，那电路如何防反接?首当其冲我们想到的就是二极管了，运用其单向导通特性可有效防止电源反接而损坏电路，但是随之而来的问题是二极管存在PN节电压，通常在0.7V左右，低电流是影响不明显，但流过大电流时，如流过1A电流其会产生0.7W的功耗，0.7W的功耗发热对元件本身及周边元件的可靠性是个非常大的考验。

　　可见二极管防反接最大问题是管压降，越低损耗就越小。在晶体管中导通压降最低的就属场效应管了，就是我们平常叫的MOS管，那如何运用MOS管这一优良特性设计防反接电路?如下图所示：

MOS管设计如何防反接电路

　　NMOS防反接电路

　　当输入上正下负时，下图黄色线条所示电流路径，经过R1、R2，MOS寄生二极管到地,R1与R2分压后其GS极电压大于MOS导通电压Vgs，MOS导通，红色线条所示的整个电路回路接通。

MOS管设计如何防反接电路

　　正向导通时电流路径

　　当输入上负下正时，下图黄色线条所示电流路径，电流路径被MOS寄生二极管反向截止，MOS管因GS极没有电压而截止，整个电路回路断开，有效保护了系统电路。

MOS管设计如何防反接电路

　　反向截止电流路径

　　上面介绍了NMOS防反接，PMOS防反接电路如下，其防反接原理与NMOS一致，不再赘述。

MOS管设计如何防反接电路

　　PMOS防反接电路

　　通常电路系统是共地的就用POMS防反接，共源就用NMOS防反接。

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　　Source、Drain、Gate —— 场效应管的三极：源级S、漏级D、栅级G。(这里不讲栅极GOX击穿了啊，只针对漏极电压击穿)　　先讲测试条件，都是源栅衬底都是接地，然后扫描漏极电压，直至Drain端电流达到1uA。所以从器件结构上看，它的漏电通道有三条：Drain到source、Drain到Bulk、Drain到Gate。　　Drain→Source穿通击穿：　　这个主要是Drain加反偏电压后，使得Drain/Bulk的PN结耗尽区延展，当耗尽区碰到Source的时候，那源漏之间就不需要开启就形成了通路，所以叫做穿通(punch through)。　　那如何防止穿通呢?这就要回到二极管反偏特性了，耗尽区宽度除了与电压有关，还与两边的掺杂浓度有关，浓度越高可以抑制耗尽区宽度延展，所以flow里面有个防穿通注入(APT：AnTI Punch Through)，记住它要打和well同type的specis。　　当然实际遇到WAT的BV跑了而且确定是从Source端走了，可能还要看是否 PolyCD或者Spacer宽度，或者LDD_IMP问题了，那如何排除呢?这就要看你是否NMOS和PMOS都跑了?POLY CD可以通过Poly相关的WAT来验证。对吧?　　对于穿通击穿，有以下一些特征：　　✦穿通击穿的击穿点软，击穿过程中，电流有逐步增大的特征，这是因为耗尽层扩展较宽，产生电流较大。另一方面，耗尽层展宽大容易发生DIBL效应，使源衬底结正偏出现电流逐步增大的特征。　　✦穿通击穿的软击穿点发生在源漏的耗尽层相接时，此时源端的载流子注入到耗尽层中，被耗尽层中的电场加速达到漏端，因此，穿通击穿的电流也有急剧增大点，这个电流的急剧增大和雪崩击穿时电流急剧增大不同，这时的电流相当于源衬底PN结正向导通时的电流，而雪崩击穿时的电流主要为PN结反向击穿时的雪崩电流，如不作限流，雪崩击穿的电流要大。　　✦穿通击穿一般不会出现破坏性击穿。因为穿通击穿场强没有达到雪崩击穿的场强，不会产生大量电子空穴对。　　✦穿通击穿一般发生在沟道体内，沟道表面不容易发生穿通，这主要是由于沟道注入使表面浓度比浓度大造成，所以，对NMOS管一般都有防穿通注入。　　✦一般的，鸟嘴边缘的浓度比沟道中间浓度大，所以穿通击穿一般发生在沟道中间。　　✦多晶栅长度对穿通击穿是有影响的，随着栅长度增加，击穿增大。而对雪崩击穿，严格来说也有影响，但是没有那么显著。　　Drain→Bulk雪崩击穿：　　这就单纯是PN结雪崩击穿了(Avalanche Breakdown)，主要是漏极反偏电压下使得PN结耗尽区展宽，则反偏电场加在了PN结反偏上面，使得电子加速撞击晶格产生新的电子空穴对 (Electron-Hole pair)，然后电子继续撞击，如此雪崩倍增下去导致击穿，所以这种击穿的电流几乎快速增大，I-V curve几乎垂直上去，很容烧毁的。(这点和源漏穿通击穿不一样)　　那如何改善这个junction BV呢?所以主要还是从PN结本身特性讲起，肯定要降低耗尽区电场，防止碰撞产生电子空穴对，降低电压肯定不行，那就只能增加耗尽区宽度了，所以要改变 doping profile了，这就是为什么突变结(Abrupt junction)的击穿电压比缓变结(Graded junction)的低。这就是学以致用，别人云亦云啊。　　当然除了doping profile，还有就是doping浓度，浓度越大，耗尽区宽度越窄，所以电场强度越强，那肯定就降低击穿电压了。而且还有个规律是击穿电压通常是由低 浓度的那边浓度影响更大，因为那边的耗尽区宽度大。公式是BV=K*(1/Na+1/Nb)，从公式里也可以看出Na和Nb浓度如果差10倍，几乎其中一 个就可以忽略了。　　那实际的process如果发现BV变小，并且确认是从junction走的，那好好查查你的Source/Drain implant了。　　Drain→Gate击穿：　　这个主要是Drain和Gate之间的Overlap导致的栅极氧化层击穿，这个有点类似GOX击穿了，当然它更像Poly finger的GOX击穿了，所以他可能更care poly profile以及sidewall damage了。当然这个Overlap还有个问题就是GIDL，这个也会贡献Leakage使得BV降低。　　上面讲的就是MOSFET的击穿的三个通道，通常BV的case以前两种居多。Off-state下的击穿，也就是Gate为0V的时候，但是有的时候Gate开启下Drain加电压过高也会导致击穿的，我们称之为On-state击穿。这种情况尤其喜欢发生在Gate较低电压时，或者管子刚刚开启时，而且几乎都是NMOS。所以我们通常WAT也会测试BVON。　　02、如何处理MOS管小电流发热严重情况?　　MOS管，做电源设计，或者做驱动方面的电路，难免要用到MOS管。MOS管有很多种类，也有很多作用。做电源或者驱动的使用，当然就是用它的开关作用。　　无论N型或者P型MOS管，其工作原理本质是一样的。MOS管是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流。MOS管是压控器件它通过加在栅极上的电压控制器件的特性，不会发生像三极管做开关时的因基极电流引起的电荷存储效应，因此在开关应用中，MOS管的开关速度应该比三极管快。　　我们经常看MOS管的PDF参数，MOS管制造商采用RDS(ON)参数来定义导通阻抗，对开关应用来说，RDS(ON)也是最重要的器件特性。数据手册定义RDS(ON)与栅极(或驱动)电压VGS以及流经开关的电流有关，但对于充分的栅极驱动，RDS(ON)是一个相对静态参数。一直处于导通的MOS管很容易发热。　　另外，慢慢升高的结温也会导致RDS(ON)的增加。MOS管数据手册规定了热阻抗参数，其定义为MOS管封装的半导体结散热能力。RθJC的最简单的定义是结到管壳的热阻抗。　　03、MOS管小电流发热的原因　　✦电路设计的问题，就是让MOS管工作在线性的工作状态，而不是在开关状态。这也是导致MOS管发热的一个原因。如果N-MOS做开关，G级电压要比电源高几V，才能完全导通，P-MOS则相反。没有完全打开而压降过大造成功率消耗，等效直流阻抗比较大，压降增大，所以U*I也增大，损耗就意味着发热。这是设计电路的最忌讳的错误。　　✦频率太高，主要是有时过分追求体积，导致频率提高，MOS管上的损耗增大了，所以发热也加大了。　　✦没有做好足够的散热设计，电流太高，MOS管标称的电流值，一般需要良好的散热才能达到。所以ID小于最大电流，也可能发热严重，需要足够的辅助散热片。　　✦MOS管的选型有误，对功率判断有误，MOS管内阻没有充分考虑，导致开关阻抗增大。　　04、MOS管小电流发热严重怎么解决　　✦做好MOS管的散热设计，添加足够多的辅助散热片。　　✦贴散热胶。　　05、MOS管为什么可以防止电源反接?　　电源反接，会给电路造成损坏，不过，电源反接是不可避免的。所以，我们就需要给电路中加入保护电路，达到即使接反电源，也不会损坏的目的。　　一般可以使用在电源的正极串入一个二极管解决，不过，由于二极管有压降，会给电路造成不必要的损耗，尤其是电池供电场合，本来电池电压就3.7V，你就用二极管降了0.6V，使得电池使用时间大减。　　MOS管防反接，好处就是压降小，小到几乎可以忽略不计。现在的MOS管可以做到几个毫欧的内阻，假设是6.5毫欧，通过的电流为1A(这个电流已经很大了)，在他上面的压降只有6.5毫伏。由于MOS管越来越便宜，所以人们逐渐开始使用MOS管防电源反接了。　　NMOS管防止电源反接电路：　　正确连接时：刚上电，MOS管的寄生二极管导通，所以S的电位大概就是0.6V，而G极的电位，是VBAT，VBAT-0.6V大于UGS的阀值开启电压，MOS管的DS就会导通，由于内阻很小，所以就把寄生二极管短路了，压降几乎为0。　　电源接反时：UGS=0，MOS管不会导通，和负载的回路就是断的，从而保证电路安全。　　PMOS管防止电源反接电路：　　正确连接时：刚上电，MOS管的寄生二极管导通，电源与负载形成回路，所以S极电位就是VBAT-0.6V，而G极电位是0V，PMOS管导通，从D流向S的电流把二极管短路。　　电源接反时：G极是高电平，PMOS管不导通。保护电路安全。　　连接技巧：NMOS管DS串到负极，PMOS管DS串到正极，让寄生二极管方向朝向正确连接的电流方向。　　感觉DS流向是“反”的?仔细的朋友会发现，防反接电路中，DS的电流流向，和我们平时使用的电流方向是反的。　　为什么要接成反的?利用寄生二极管的导通作用，在刚上电时，使得UGS满足阀值要求。　　为什么可以接成反的?如果是三极管，NPN的电流方向只能是C到E，PNP的电流方向只能是E到C。不过，MOS管的D和S是可以互换的。这也是三极管和MOS管的区别之一。　　06、MOS管功率损耗测量　　MOSFET/IGBT的开关损耗测试是电源调试中非常关键的环节，但很多工程师对开关损耗的测量还停留在人工计算的感性认知上，PFC MOSFET的开关损耗更是只能依据口口相传的经验反复摸索，那么该如何量化评估呢?　　功率损耗的原理图和实测图　　一般来说，开关管工作的功率损耗原理图下图所示，主要的能量损耗体现在“导通过程”和“关闭过程”，小部分能量体现在“导通状态”，而关闭状态的损耗很小几乎为0，可以忽略不计。　　实际的测量波形图一般下图所示。　　MOSFET和PFC MOSFET的测试区别　　对于普通MOS管来说，不同周期的电压和电流波形几乎完全相同，因此整体功率损耗只需要任意测量一个周期即可。但对于PFC MOS管来说，不同周期的电压和电流波形都不相同，因此功率损耗的准确评估依赖较长时间(一般大于10ms)，较高采样率(推荐1G采样率)的波形捕获，此时需要的存储深度推荐在10M以上，并且要求所有原始数据(不能抽样)都要参与功率损耗计算，实测截图下图所示。
2024-07-17 14:18 阅读量：412
多个MOS管并联应用场景的四大要点
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　　功率MOS管具有优异的热稳定性，不会发生热失控，因此 并联多个MOSFET是一种很常见的使用方法，它可以减少传导损耗和分散功耗，以便限制最大结温。　　1.功率MOS并联要点　　在高速下空中高功率下，进行并行连接时，最主要的是需要避免电流集中，以及过电流，能够确保在所有可能的负载条件下，很好地平衡、均匀所有流过器件的电流。　　2.功率MOS并联时的静态/动态动作　　静态：　　Rds(on)较低的MOS管能够导通更多的电流。　　当它升温时，Rds(on)增加，部分电流将转移到其它MOS管上，电流共享取决于每个MOS的相对的电阻值。　　注意：a.每个MOS的电流与其接通电阻的Rds(on)的倒数成正比关系;　　b.热耦合良好的平行放置MOS的结温度大致相同。　　动态：　　动态运行时，阈值电压Vgsth最低的MOS管首先打开，最后关闭。这种MOS管一般会占据更多的开关损耗，并且在开关转换过程中，承担了更高的电应力。　　3.开启、关断阈值保持一致　　由于功率MOS切换时间会有所差异，因此在通电和断电期间容易出现不平衡，而在开关时间上的变化很大程度是由门-源阈值电压Vth的值。即：Vth的值越小，通电时间越快。相反，断电期间，Vth的值越大，截止的速度就越快。　　此外，当电流集中在一个具有较小Vth的功率MOS上时，通电与断电的过程中会出现电流不平衡，这会让设备功率损耗过大，导致故障。因此，最好使用相近Vth值以及开关时间的变化，在每个MOS之间插入一个电阻，可以确保稳定运行以及防止异常振荡。　　4. 其他要点　　A.每个MOS需要栅极电阻，且阻值在几Ω到几十Ω,防止电流共享和振荡;　　B.MOS管具备良好的热耦合，确保电流和热平衡;　　C.避免在GS之间添加外部器件，可以适当调整电阻值，优化开关速度。　　问题来了，那并联多个双极晶体管和MOS管有什么主要区别吗?　　双极晶体管由于是基极电流驱动，因此电流平衡更容易被基极-发射极电压Vbe的波动所破坏，这样会导致并联连接均衡会变得困难。　　而功率MOS管，由于是电压驱动，因此只需要向并联连接的每个MOS管提供驱动电压就可以保持相当不错的均衡性，使并联更加容易，因此MOS管相比双极晶体管，在多个并联的场景中会更有优势。
2024-07-16 11:13 阅读量：380
增强型和耗尽型MOS管的区别和联系
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　　金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)是一种常见的场效应晶体管，在电子学领域中具有重要应用。增强型(Enhancement-mode)MOS管和耗尽型(Depletion-mode)MOS管是两种常见类型的MOS管。　　1. 增强型MOS管　　原理：增强型MOS管需要外加正向偏置电压才能导通。当栅极与源极之间施加正电压时，形成强电场使得沟道中出现自由载流子，从而使器件导通。　　特点　　需要外部电压控制才能导通。　　关断状态下无载流子通道。　　2. 耗尽型MOS管　　原理：耗尽型MOS管在零门源电压时处于导通状态，需要施加负向偏置电压才能够截止。沟道中存在固有载流子，故处于导通状态。　　特点　　在零门源电压时即可导通。　　需要施加逆偏电压才能够截至。　　3. 区别比较　　3.1 导通状态　　增强型MOS管：需要外部正向偏置电压才能导通。　　耗尽型MOS管：在零门源电压下即可导通。　　3.2 关断状态　　增强型MOS管：在关断状态下无载流子通道。　　耗尽型MOS管：存在固有载流子通道，不需要外部电压来维持导通状态。　　3.3 控制方式　　增强型MOS管：需要外部电压控制，控制灵活性更高。　　耗尽型MOS管：通过施加逆偏电压实现截止，控制相对简单。　　4. 优缺点比较　　增强型MOS管　　优点：控制灵活，需外部电压控制。在关断状态下无载流子通道，功耗低。　　缺点：需要额外的正向偏压，控制复杂。　　耗尽型MOS管　　优点：零门源电压时即可导通，控制简单。不需要额外的外部电压来维持导通状态。　　缺点：在关断状态下仍有载流子通道，存在静态功耗。　　5. 应用领域　　增强型MOS管：适用于需要频繁开关的功率放大器和数字逻辑电路等场景。可用于信号转换、功率调节等需要较高控制精度的应用。　　耗尽型MOS管：适用于对控制要求不齐的应用领域，如模拟电路中的放大器和传感器等。可用于需要恒定电流或电压输出的场合，例如电源管理和稳压器等。　　6. 性能对比　　增强型MOS管　　响应速度：由于需要外部正向偏压，响应速度相对较慢。　　功耗：在关断状态下无载流子通道，功耗较低。　　耗尽型MOS管　　响应速度：在零门源电压下即可导通，响应速度较快。　　功耗：在关断状态下仍有载流子通道，存在静态功耗。　　增强型和耗尽型MOS管在实际应用中常常结合使用，以满足不同的需求。例如，在数字集成电路中，增强型MOS管多用于逻辑门等控制电路中，而耗尽型MOS管则常用于模拟电路中的放大器等场合。通过合理选择和组合这两种类型的MOS管，可以实现更加灵活和高效的电路设计。　　此外，增强型MOS管和耗尽型MOS管在电源管理、信号调节、功率放大和开关控制等领域都有广泛的应用。工程师可以根据具体的应用需求和性能要求选择合适的MOS管类型，以达到最佳的性能和功耗平衡。
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MOS管失效的六大原因
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　　功率器件在近几年的市场方面发展的非常火爆，尤其是 MOS 管，他主要应用在电源适配器，电池管理系统以及逆变器和电机控制系统中。　　而随着计算器主板，AI 显卡，服务器等行业的爆发，低压功率 MOS 管将再次迎来爆发性的市场需求。　　在开关电源应用领域，由于电源的 Controller 做的已经非常完善，且大部分 Controller 为纯硬件控制，厂家一般也会对布局布线和 MOS 的驱动做专门的优化，因此在开关电源应用中的 MOS 烧坏的情况比较少，大部分表现为过热。　　而在电池管理系统，和电机控制系统以及逆变器系统中，MOS 管的烧坏概率就变得非常大，其原因在于，电池管理系统的保护瞬间电流突变，电机和逆变器系统中的 MOS 带载都是非常大的感性负载，尤其是电机控制还面临着制动带来的反向电动势，都对 MOS 管的工作电压和电流提出了更大的挑战。　　今天我们趁热打铁，分析一下 MOS 管最常见的 6 个失效模式。　　失效模式 雪崩失效雪崩失效指的就是过压击穿，也就是我们常常说的漏极和源极之间的电压超过了 MOSFET 的额定电压，并且达到了 MOSFET 耐受的极限，从而导致 MOSFET 失效。　　SOA 失效SOA 失效指的是过流损坏，也就是说，电流超过了 MOSFET 的安全工作区引起的失效，一般是由于 Id 超过了器件规格测定的最大值，使得 MOSFET 的热损耗过大，长期热量累积而导致的失效。　　静电失效静电失效比较好理解，几乎任何电子元器件都面临静电问题，尤其是在北方干燥的冬天。要知道，MOS 管的一般静电耐受是 500V，非常的脆弱，所以冬天我们在操作 MOS 管的时候还是尽量使用防静电手环和镊子。　　栅极击穿栅极击穿指的是栅极遭受异常电压导致栅极栅氧化层失效，一般我们驱动 MOS 管的 Vgs 设定在 12V，器件手册中虽然标注了 Vth 一般在 2-5V，但是对于不同的 Vgs 会对应不同的 Rdson，因此我们通常选用 12V 或者 15V 来保证 MOSFET 的完全开启。而这个电压并不能像 MOS 的 Vds 一样具备很高的耐电压能力，Vgs 一般会被限制在 20V 以内，超过 20V 将有可能击穿栅极。　　栅极击穿后，一般使用万用表可以测量出来，GS 之间短路，而 DS 之间正常成高阻态。　　谐振失效无论是电池管理系统，还是逆变器和电机控制领域，我们通常会使用 MOS 的多并联设计，由于 MOSFET 本身参数的不一致性会导致每个 MOSFET 的栅极及电路寄生参数不同，在一同开关的时候，由于开通的先后顺序问题引起开关震荡，进一步损坏MOSFET，因此在并联使用的时候一定要注意布局布线，以及 MOS 的Vth 选择和供应链管理，这一点我将专门另一起篇文章讨论。　　体二极管失效在电机控制，桥式整流和 LLC 等控制系统中，我们需要利用 MOSFET 的体二极管进行续流，一般情况下体二极管的反向恢复时间会比较慢，因此容易出现过功率而导致体二极管失效。因此一般控制频率比较高的系统中，我们需要在 MOSFET 外面并联一个快恢复二极管或者肖特基。下面，我们就过压击穿和过流烧毁再详细分析一下它的失效过程和预防措施　　雪崩失效及其预防　　简单来说，MOSFET 在电源板上由于母线电压，变压器反射电压，电机的反向电动势，漏感尖峰电压等等系统中的高压交叠之后，都将叠加在 MOSFET 的漏源极之间。MOSFET 的手册中一般会包含单面冲雪崩能量 Eas、重复脉冲雪崩能量 Ear 和单次脉冲雪崩电流 Ias 等参数，这些参数反映了该功率 MOSFET 的雪崩能力。　　‍其实在实际的 MOSFET 中还存在着一个寄生的三极管，就像漏源极之间的续流二极管一样，可以看下面的内部示意图和对应的等效电路图：　　我们可以看到，这个寄生的 BJT 是直接并联在 MOSFET 上面的，因此，当 MOSFET 漏极存在一个大电流 Id 和高压 Vd 时，器件内部的电离作用加剧，出现大量的空穴电流，这些电流流过 Rb 电阻进入源极就导致了寄生三极管的基极电势升高，也就是 Vb 会升高，那么寄生三极管就会导通，从而发生雪崩击穿，所以，其内部是由于过压产生了电流流入了寄生三极管，三极管导通了，就等于 MOSFET 也导通了。　　预防的措施：雪崩失效归根结底是电压失效，因此预防我们着重从电压来考虑。具体可以参考以下的方式来处理。1：合理降额使用，目前行业内的降额一般选取80%-95%的降额，具体情况根据企业的保修条款及电路关注点进行选取。2：合理的变压器反射电压。3：合理的RCD及TVS吸收电路设计。4：大电流布线尽量采用粗、短的布局结构，尽量减少布线寄生电感。5：选择合理的栅极电阻Rg。6：在大功率电源中，可以根据需要适当的加入RC减震或齐纳二极管进行吸收。　　SOA失效机器预防SOA失效是指电源在运行时异常的大电流和电压同时叠加在MOSFET上面，造成瞬时局部发热而导致的破坏模式。或者是芯片与散热器及封装不能及时达到热平衡导致热积累，持续的发热使温度超过氧化层限制而导致的热击穿模式。关于SOA各个线的参数限定值可以参考下面图片，每个 MOSFET 的数据手册里面都有。　　下面我们分析下图中标注的 5 个区域的含义　　这个地方主要限制最大的额定电流和脉冲电流，因为此刻的横轴显示电压很低，那么更多的是大电流导致的 SOA 失效。　　在 2 的区域内属于电流电压都安全的区域，但是也要看器件的结温(取决于 Rdson 大小)，如果结温超过了 150 度，也会导致 SOA 失效。　　在 3 号区域内，我们可以看到根据不同的时间被扩展了三次，分别对应着 10ms，1ms 和 100us，这里主要看器件的耗散功率，本质上是能够承受住 10ms 的最大电流值。　　在 4 号区域，这是一个电流值封顶的区域，这里指的就是脉冲电流的最大值的限制，超过了就会导致 SOA 失效。　　在 5 号区域，这是一个电压的封顶区域，这里主要限制 Vds 上的电压。　　我们电路中的MOSFET，只要保证能器件处于上面限制区的范围内(2 和 3)，就能有效的规避由于MOSFET而导致的电源失效问题的产生。预防措施：　　确保在最差条件下，MOSFET的所有功率限制条件均在SOA限制线以内。　　将OCP功能一定要做精确细致。在进行OCP点设计时，一般可能会取1.1-1.5倍电流余量，然后就根据IC的保护电压比如0.7V开始调试RSENSE电阻。另外有些MOSDriver 还集成了过流保护功能，也可以尝试，就是贵。　　合理的热设计冗余也是非常必要的，对于额定电流和最大电流工作时间的可靠性测试必不可少，记得叠加上工作环境温度。
2024-04-23 11:51 阅读量：622
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