什么是共漏极MOSFET 结构原理与双向导电 在USB和电池保护中的应用优势

你是否曾在设计USB供电设备或电池保护电路时，为如何实现**双向导电而头疼？传统MOSFET方案需要两个独立器件背对背连接，不仅占用宝贵PCB空间，还增加了系统复杂性和成本。东芝*新推出的SSM10N961L 30V N沟道共漏极MOSFET，以其独特的结构设计和9.9mΩ的超低导通电阻，为这些难题提供了优雅的解决方案。

什么是共漏极MOSFET结构？

共漏极MOSFET是一种创新的器件结构设计，它将两个MOSFET晶体管集成在同一个封装内，并共享一个公共的漏极端。这种设计与传统的单个MOSFET或背对背连接的独立MOSFET有本质区别。

在传统的双向开关设计中，工程师通常需要两个独立的MOSFET背对背连接（源极相连或漏极相连），这种方式需要更多的PCB空间和更多的外围元件。而共漏极结构通过半导体工艺将两个晶体管集成在单一芯片上，不仅减少了尺寸，还改善了器件的匹配性和温度特性。

共漏极MOSFET的工作原理基于栅极电压独立控制两个源极-沟道路径。当在栅极和源极1之间施加足够电压时，源极1与漏极之间形成导电沟道；同样地，当在栅极和源极2之间施加电压时，源极2与漏极之间形成导电沟道。这种设计允许电流在漏极与任一源极之间双向流动，为实现真正的双向开关功能奠定了基础。

相比传统方案有哪些优势？

共漏极MOSFET结构带来了多重优势，特别是在空间受限和需要**率的应用中表现突出：

• 空间节省：传统方案需要两个独立MOSFET，每个可能采用3.3mm×3.3mm或2mm×2mm封装，而东芝的共漏极MOSFET采用新型TCSPAG-341501封装，尺寸仅为3.37mm×1.47mm（典型值），厚度仅0.11mm，面积减少达50%以上。

• 性能匹配：由于两个MOSFET在同一芯片上制造，它们具有几乎完全相同的电气特性和温度系数，这种匹配性在传统离散方案中很难实现，确保了双向开关性能的一致性。

• 简化设计：共漏极结构减少了外部连接需求，降低了布局复杂度，同时由于更好的热耦合，两个通道的热性能更加均匀。

• 成本优化：虽然单个共漏极MOSFET可能比单个传统MOSFET贵，但相比使用两个离散MOSFET的方案，总体成本通常更低，特别是考虑到节省的PCB面积和减少的装配成本。

为了更直观地展示优势，请看以下对比表格：

特性参数	传统双MOSFET方案	东芝共漏极MOSFET方案	优势对比
占用面积	约4.5-11mm^2	约4.95mm^2	面积减少45%-78%
导通电阻	两个器件总和约20-30mΩ	单器件仅9.9mΩ	电阻降低50%以上，损耗更小
匹配性能	两个独立器件，性能存在差异	同一芯片，完美匹配	双向性能一致性好
热性能	热分布不均匀	热耦合均匀	温度特性更一致
装配复杂度	需要放置和连接两个器件	单器件，简化装配	生产效率和良率提高

在USB PD应用中的关键价值

USB Power Delivery（PD）标准的演进对电源设计提出了更高要求，而共漏极MOSFET在其中扮演着关键角色：

USB PD支持角色交换功能，允许设备在电源和负载角色之间动态切换。这意味着一个USB-C端口可能在上秒为其他设备供电，下秒就变为接收电力。这种动态角色转换要求电源路径必须支持双向导电，而共漏极MOSFET正是实现这一功能的理想选择。

东芝SSM10N961L支持高达30V的源极-源极电压和9.9mΩ的低导通电阻，能够**处理USB PD规范中从15W（5V/3A）到*大240W（48V/5A）的功率范围。其低导通电阻确保了即使在大电流情况下，导通损耗也保持在很低水平，减少了热管理需求。

当与东芝的TCK42xG系列驱动IC配合使用时，SSM10N961L可以构成具有防回流功能的负载开关电路或电源多路复用器电路（支持先合后断MBB和先断后合BBM操作模式）。这种组合为USB PD设备提供了完整而**的电源管理解决方案。

在电池组保护中的重要作用

在电池保护应用中，共漏极MOSFET同样展现出独特价值：

锂离子电池组需要精细的充放电管理以防止过充、过放、过流和短路等情况。传统方案使用两个独立的MOSFET分别控制充电和放电路径，而共漏极MOSFET可以用单个器件实现相同的功能，大大简化了电路设计。

东芝此前在N沟道共漏极MOSFET产品线主要聚焦12V产品，用于智能手机锂离子电池组保护。新型30V产品的发布扩展了应用范围，使其能够用于笔记本电脑和平板电脑的电池组保护，这些应用通常需要更高的工作电压。

在电池保护电路中，低导通电阻至关重要，因为它直接影响到系统的续航时间和热管理需求。SSM10N961L的9.9mΩ超低导通电阻确保了在正常充放电过程中只有*小的电压降和功率损耗，有助于延长电池续航时间。

个人观点：共漏极技术的未来展望

在我看來，共漏极MOSFET结构代表了功率半导体集成化的重要方向。随着电子设备变得越来越小巧和功能丰富，对**、紧凑的功率管理解决方案的需求将持续增长。

这种集成化方法不仅节省空间，还提高了系统可靠性和性能一致性。由于两个MOSFET在同一芯片上制造，它们具有几乎相同的温度特性和开关特性，这在大批量生产中提供了更好的一致性保证。

未来，我们可能会看到更多采用类似集成理念的功率器件，可能将MOSFET与驱动IC、保护电路甚至控制逻辑进一步集成，形成更加完整的功率管理解决方案。这种高度集成的方向将有助于进一步简化设计，缩短产品开发周期。

随着USB PD标准的普及和电池供电设备的增多，对**双向功率开关的需求只会增加。共漏极MOSFET这类创新器件将为设计工程师提供更多选择，帮助他们在性能、尺寸和成本之间找到**平衡点。

**数据视角：根据东芝提供的信息，使用SSM10N961L与TCK42xG驱动IC组合的参考设计，可以显著缩短电源多路复用器电路的设计和开发时间。这种参考设计的价值在于它提供了经过验证的解决方案，减少了工程师的设计风险和验证时间。

对于设计工程师来说，选择像SSM10N961L这样的共漏极MOSFET不仅仅是选择一个元器件，更是选择了一种更加集成和**的设计哲学。在日益追求小型化和**率的电子行业中，这种集成化的思维方式可能比任何单个技术参数都更加重要。