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  产品 方案

怎样 选取MOSFET 以及主流主流企业的封装特点刷新

来 源:  时 间:2021-12-10

电压品级

确定MOSFET的主要 特征 是其漏源电压VDS,或“漏源击穿电压”,这是在栅极短路到源极,漏极电流在250μA情形 下,MOSFET所能遭受 的保险 不损坏的最高电压。VDS也被称为“25℃下的相对 最高电压”,可是 一定要记着,这个相对 电压与温度相关 ,而且数据内外 通常有一个“VDS温度系数”。你还要明白 ,最高VDS是直流电压加上能够 在电路里存在的任何电压尖峰和纹波。例如,若是 你在电压30V并带有100mV、5ns尖峰的电源里运用 30V器件,电压就会凌驾器件的相对 最高限值,器件能够 会进入雪崩形式 。在这种情形 下,MOSFET的牢靠 性没法取得 保险 。

在高温 下,温度系数会清楚 改动 击穿电压。例如,一些600V电压品级的N沟道MOSFET的温度系数是正的,在接近 最高结温时,温度系数会让这些MOSFET变得象650V MOSFET。许多MOSFET用户的设计规则要求10%~20%的降额因子。在一些设计里,思量 到理想 的击穿电压比25℃下的额外 数值要高5%~10%,会在理想 设计中增添 照应 的有用设计裕量,对设计是很有益 的。

对准确 选择MOSFET异样 主要 的是明白 在导通历程中栅源电压VGS的作用。这个电压是在给定的最大RDS(on)条件下,可以 确保MOSFET完全导通的电压。这就是为何 导通电阻总是与VGS水平 关联在一同 的缘故原由 ,而且也是只要 在这个电压下才干 保险 器件导通。一个主要 的设计效果 是,你不行 用比用于抵达 RDS(on)额外 值的最低VGS还要低的电压,来使MOSFET完全导通。例如,用3.3V微控制器驱动MOSFET完全导通,你需求 用在VGS= 2.5V或更低条件下可以 导通的MOSFET。

导通电阻,栅极电荷,以及“优值系数”

MOSFET的导通电阻总是在一个或多个栅源电压条件下确定的。最大RDS(on)限值可以比典型数值高20%~50%。RDS(on)最大限值通常指的25℃结温下的数值,而在更高的温度下,RDS(on)可以增添 30%~150%,如图1所示。因为 RDS(on)随温度而变,而且不行 保险 最小的电阻值,凭证 RDS(on)来检测电流不是很准确 的要领


 

 

图1 RDS(on)在最高事情温度的30%~150%这个规模内随温度增添 而增添

导通电阻对N沟道和P沟道MOSFET都是十分 主要 的。在开关电源中,Qg是用在开关电源里的N沟道MOSFET的关键 选择尺度,因为 Qg会浸染 开关消耗 。这些消耗 有两个方面浸染 :一个是浸染 MOSFET导通和封锁 的转换时间 ;另一个是每次开关历程中对栅极电容充电所需的能量。要切记 的一点是,Qg取决于栅源电压,纵然用更低的Vgs可以镌汰 开关消耗 。

作为一种快速 竞赛 预备 用在开关运用 里MOSFET的方式,设计者经常 运用 一个双数 公式,公式征求 表现 传导消耗 RDS(on)及表现 开关消耗 的Qg:RDS(on) xQg。这个“优值系数”(FOM)总结了器件的功用 ,可以用典型值或最大值来竞赛 MOSFET。要保险 在器件中举行 准确 的竞赛 ,你需求 确定用于RDS(on) 和Qg的是相反 的VGS,在公示里典型值和最大值没有恰巧 混在一同 。较低的FOM能让你在开关运用 里取得 更好的功用 ,可是 不行 保险 这一点。只要 在理想 的电路里才干 取得 最好的竞赛 效果 ,在某些情形 下能够 需求 针对每个MOSFET对电路举行 微调。

额外 电流和功率耗散

基于分别 的实验 条件,大少数 MOSFET在数据内外 都有一个或多个的一连 漏极电流。你要细心 看看数据表,搞明晰 这个额外 值是在指定的外壳温度下(好比TC = 25℃),或是情形 温度(好比TA = 25℃)。这些数值当中哪些是最相关将取决于器件的特征 和运用 (见图2)。


 

 

关于 用在手持装备 里的小型外貌贴装器件,关联度最高的电流品级多是 在70℃情形 温度下的电流,关于 有散热片和强迫 风冷的大型装备 ,在TA = 25℃下的电流品级能够 更接近 理想 情形 。关于 某些器件来说,管芯在其最高结温下可以 处置赏罚 的电流要高于封装所限制 的电流水平 ,在一些数据表,这种“管芯限制 ”的电流品级是对“封装限制 ”电流品级的特殊 增补信息,可让 你相识 管芯的鲁棒性。

关于 一连 的功率耗散也要思量 相似 的情形 ,功耗耗散不只 取决于温度,而且取决于导通时间 。想象 一个器件在TA= 70℃情形 下,以PD=4W一连 事情10秒钟。组成“一连 ”时间 周期的成分 会凭证 MOSFET封装而转变 ,以是 你要运用 数据内外 的尺度化热瞬态阻抗图,看经由 10秒、100秒或10分钟后的功率耗散是什么样的。如图3所示,这个公用 器件经由 10秒脉冲后的热阻系数约莫是0.33,这表达 着经由 约莫10分钟后,一旦封装抵达 热饱和,器件的散热才干 只要 1.33W而不是4W,尽管 在优秀 冷却的情形 下器件的散热才干 可以抵达 2W左右


 

 

理想 上,色多多视频app安卓无限观看可以把MOSFET选型分红 四个顺序 。

第一步:选用N沟道照旧P沟道

为设计选择准确 器件的第一步是决议 接纳N沟道照旧P沟道MOSFET。在典型的功率运用 中,当一个MOSFET接地,而负载毗邻 到支线 电压上时,该MOSFET就组成了高压 侧开关。在高压 侧开关中,招待 纳N沟道MOSFET,这是出于对封锁 或导通器件所需电压的思量 。当MOSFET毗邻 到总线及负载接地时,就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中接纳P沟道MOSFET,这也是出于对电压驱动的思量 。

要选择适宜 运用 的器件,必需 确定驱动器件所需的电压,以及在设计中最浅易执行的要领。下一步是确定所需的额外 电压,或许 器件所能遭受 的最大电压。额外 电压越大,器件的本钱 就越高。凭证 实际 履历 ,额外 电压理应 大于支线 电压或总线电压。这样才干 提供足够的掩护,使MOSFET不会失效 。就选择MOSFET而言,必需 确定漏极至源极间能够 遭受 的最大电压,即最大VDS。知道 MOSFET能遭受 的最大电压会随温度而转变 这点十分 主要 。设计职员 必需 在整个事情温度规模内实验 电压的转变 规模。额外 电压必需 有足够的余量掩盖 这个转变 规模,确保电路不会失效 。设计工程师需求 思量 的其他喧嚣 成分 征求 由开关电子装备 (如电机或变压器)诱发的电压瞬变。分别 运用 的额外 电压也有所分别 ;通常,便携式装备 为20V、FPGA电源为20~30V、85~220VAC运用 为450~600V。

第二步:确定额外 电流

第二步是选择MOSFET的额外 电流。视电路结构 而定,该额外 电流应是负载在所厚情 形 下可以 遭受 的最大电流。与电压的情形 相似 ,设计职员 必需 确保所选的MOSFET能遭受 这个额外 电流,纵然在系统 发作 尖峰电流时。两个思量 的电流情形 是一连 形式 和脉冲尖峰。在一连 导通形式 下,MOSFET处于稳态,此时电流一连 经过 器件。脉冲尖峰是指有少量 电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流,只需直接选择能遭受 这个最大电流的器件即可 。

选好额外 电流后,还必需 盘算导通消耗 。在理想 情形 下,MOSFET其实不 是理想的器件,因为 在导电历程中会有电能消耗 ,这称之为导通消耗 。MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻,由器件的RDS(ON)所确定,并随温度而清楚 转变 。器件的功率消耗 可由Iload2×RDS(ON)盘算,因为 导通电阻随温度转变 ,是以 功率消耗 也会随之按比例转变 。对MOSFET施加的电压VGS越高,RDS(ON)就会越小;反之RDS(ON)就会越高。对系统 设计职员 来说,这就是取决于系统 电压而需求 折中权衡的中央 。对便携式设计来说,接纳较低的电压竞赛 容易(较为普遍),而关于 工业设计,可接纳较高的电压。注重 RDS(ON)电阻会随着电流稍微 上升。关于RDS(ON)电阻的种种电气参数转变 可在制造商提供的手艺 资料 表中查到。

手艺 对器件的特征 有着严重 浸染 ,因为 有些手艺 在提高 最大VDS时往往会使RDS(ON)增大。关于 这样的手艺 ,若是 妄想 降低VDS和RDS(ON),那么就得增添 晶片尺寸,从而增添 与之配套的封装尺寸及相关的开发本钱 。业界现有好几种试图控制晶片尺寸增添 的手艺 ,其中最主要 的是沟道和电荷平衡 手艺 。

在沟道手艺 中,晶片中嵌入了一个深沟,通常是为低电压预留的,用于降低导通电阻RDS(ON)。为了镌汰 最大VDS对RDS(ON)的浸染 ,开发历程中接纳了外延 生长柱/蚀刻柱工艺。例如,飞兆半导体开发了称为SuperFET的手艺 ,针对RDS(ON)的降低而增添 了特另外 制造顺序 。

这种对RDS(ON)的关注十分 主要 ,因为 当尺度MOSFET的击穿电压降低 时,RDS(ON)会随之呈指数级增添 ,而且招致 晶片尺寸增大。SuperFET工艺将RDS(ON)与晶片尺寸间的指数关系酿成了线性关系。这样,SuperFET器件即可 在小晶片尺寸,甚至在击穿电压抵达 600V的情形 下,完成 理想的低RDS(ON)。效果 是晶片尺寸可减小达35%。而关于 最终用户来说,这表达 着封装尺寸的大幅减小。

第三步:确定热要求

选择MOSFET的下一步是盘算系统 的散热要求。设计职员 必需 思量 两种分别 的情形 ,即最坏情形 和真真相 形 。建议接纳针对最坏情形 的盘算效果 ,因为 这个效果 提供更大的喧嚣 余量,能确保系统 不会失效 。在MOSFET的资料 表上尚有 一些需求 注重 的丈量数据;好比封装器件的半导体结与情形 之间的热阻,以及最大的结温。

器件的结温即是最大情形 温度加上热阻与功率耗散的乘积(结温=最大情形 温度+[热阻×功率耗散])。凭证 这个方程可解出系统 的最大功率耗散,即按界说相即是I2×RDS(ON)。因为 设计职员 已确定将要经过 器件的最大电流,是以 可以盘算出分别 温度下的RDS(ON)。值得注重 的是,在处置赏罚 简朴 热模子 时,设计职员 还必需 思量 半导体结/器件外壳及外壳/情形 的热容量;即要求印刷电路板和封装不会赶忙 升温。

雪崩击穿是指半导体器件上的反向电压凌驾最大值,并构成 强电场使器件内电流增添 。该电流将耗散功率,使器件的温度降低 ,而且有能够 损坏器件。半导体公司都市对器件举行 雪崩实验 ,盘算其雪崩电压,或对器件的稳健性举行 实验 。盘算额外 雪崩电压有两种要领;一是统计法,另一是热盘算。而热盘算因为 较为适用 而取得 普遍 接纳。很多 公司都有提供其器件实验 的概略 ,如飞兆半导体提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”( Power MOSFET Avalanche Guidelines--可以到Fairchild网站去下载)。除盘算外,手艺 对雪崩效应也有很大浸染 。例如,晶片尺寸的增添 会提高 抗雪崩才干 ,最终提高 器件的稳健性。对最终用户而言,这表达 着要在系统 中接纳更大的封装件。

第四步:决议 开关功用

选择MOSFET的最后 一步是决议 MOSFET的开关功用 。浸染 开关功用 的参数有许多,但最主要 的是栅极/漏极、栅极/ 源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中发作 开关消耗 ,因为 在每次开关时都要对它们充电。MOSFET的开关速率 是以 被降低,器件效率也下降。为盘算开关历程中器件的总消耗 ,设计职员 必需 盘算守旧 历程中的消耗 (Eon)和封锁 历程中的消耗 (Eoff)。MOSFET开关的总功率可用如下方程表达 :Psw=(Eon+Eoff)×开关频率。而栅极电荷(Qgd)对开关功用 的浸染 最大。

基于开关功用 的主要 性,新的手艺 正在不时 开发以处置 这个开关效果 。芯片尺寸的增添 会加大栅极电荷;而这会使器件尺寸增大。为了镌汰 开关消耗 ,新的手艺 如沟道厚底氧化已经应运而生,旨在镌汰 栅极电荷。举例说,SuperFET这种新手 艺 就可经过 降低RDS(ON)和栅极电荷(Qg),最大限制 地镌汰 传导消耗 和提高 开关功用 。这样,MOSFET就能应对开关历程中的高速电压瞬变(dv/dt)和电流瞬变(di/dt),甚至可在更高的开关频率下牢靠 地事情。

主流企业的封装与刷新

因为 CPU的低电压、大电流的生长趋向 ,对MOSFET提出输入 电流大,导通电阻低,发烧量低散热快,体积小的要求。MOSFET厂商除了刷新 芯片消费 手艺 和工艺外,也不时 刷新 封装手艺 ,在与尺度外形 规格兼容的基础 上,提出新的封装外形 ,并为自己 研发的新封装注册商标称号 。

1、瑞萨(RENESAS)WPAK、LFPAK和LFPAK-I封装

WPAK是瑞萨开发的一种高热辐射封装,经过 仿D-PAK封装那样把芯片散热板焊接在主板上,经过 主板散热,使小形封装的WPAK也可以 抵达 D-PAK的输入 电流。WPAK-D2封装了高/低2颗MOSFET,减小布线电感。

 

瑞萨WPAK封装尺寸

LFPAK和LFPAK-I是瑞萨开发的另外2种与SO-8兼容的小形封装。LFPAK相似 D-PAK,但比D-PAK体积小。LFPAK-i是将散热板向上,经过 散热片散热

瑞萨LFPAK和LFPAK-I封装2、威世(Vishay)Power-PAK和Polar-PAK封装

Power-PAK是威世公司注册的MOSFET封装称号 。Power-PAK征求 有Power-PAK1212-8、Power-PAK SO-8两种规格。

 

威世Power-PAK SO-8封装

Polar PAK是双面散热的小形封装,也是威世焦点封装手艺 之一。Polar PAK与深刻 的so-8封装相反 ,其在封装的上、下两面均设计了散抢手 ,封装外部 不容易 蓄热,可以 将事情电流的电流密度提高 至SO-8的2倍。如今 威世已向意法半导体公司提供Polar PAK手艺 授权

威世Polar PAK封装3、安森美(Onsemi)SO-8和WDFN8扁平引脚(Flat Lead)封装

安美森半导体开发了2种扁平引脚的MOSFET,其中SO-8兼容的扁平引脚被许多板卡接纳。安森美早先 推出的NVMx和NVTx功率MOSFET就接纳了紧凑型DFN5(SO-8FL)和WDFN8封装,可最大限制 地降低导通消耗 ,另外还具有低QG和电容,可将驱动器消耗 降到最低的特征 。

安森美WDFN8封装4、恩智浦(NXP)LFPAK和QLPAK封装

恩智浦(原Philps)对SO-8封装手艺 刷新 为LFPAK和QLPAK。其中LFPAK被以为 是天下 上高度牢靠 的功率SO-8封装;而QLPAK具有体积小、散热效率更高的特点,与深刻 SO-8相比,QLPAK占用PCB板的面积为6*5mm,同时热阻为1.5k/W。

 

恩智浦QLPAK封装5、意法(ST)半导体PowerSO-8封装

意法半导体功率MOSFET芯片封装手艺 有SO-8、PowerSO-8、PowerFLAT、DirectFET、PolarPAK等,其中PowerSO-8正是SO-8的刷新 版,此外尚有 PowerSO-10、PowerSO-20、TO-220FP、H²PAK-2等封装

 

意法半导体Power SO-8封装6、飞兆(Fairchild)半导体Power 56封装

Power 56是Farichild的公用 称谓,正式称号 为DFN 5×6。其封装面积跟经常 运用 的TSOP-8中分 春色 ,而薄型封装又浪费 元件净空高度,底部Thermal-Pad设计降低了热阻,是以 许多功率器件厂商都布置 了DFN 5×6。

 

Fairchild Power 56封装7、国际整流器(IR)Direct FET封装

Direct FET能在SO-8或更小占位面积上,提供高效的上部散热,适用于盘算机、条记本电脑、电信和消耗 电子装备 的AC-DC及DC-DC功率转换运用 。与尺度塑料分立封装相比,DirectFET的金属罐结构 具有双面散热成效 ,所以 可有用 将高频DC-DC降压式转换器的电流处置赏罚 才干 增添 一倍。

Direct FET封装属于反装型,漏极(D)的散热板向上 ,并掩盖 金属外壳,经过 金属外壳散热。Direct FET封装极大地改善了散热,而且占用空间更小,散热优秀 。

 

 

 

 

 

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