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菜鸟也能轻松选择MOSFET:手把手教你看懂产品数

  对付持续的功率耗散也要思量雷同的环境,功耗耗散不只取决于温度,并且取决于导通时间。设计一个器件在TA= 70℃环境下,以PD=4W持续事情10秒钟。形成“持续”时间周期的要素会按照MOSFET封装而变迁,所以你要利用数据内外的尺度化热瞬态阻抗图,看颠末10秒、100秒或10分钟后的功率耗散是什么样的。如图3所示,这个公用器件颠末10秒脉冲后的热阻系数大约是0.33,这象征着颠末大约10分钟后,一旦封装到达热饱和,器件的散热威力只要1.33W而不是4W,虽然在优良冷却的环境下器件的散热威力能够到达2W摆布。

  取舍MOSFET的最月朔步是决定MOSFET的开关机能。影响开关机能的参数有良多,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生开关损耗,由于在每次开关时都要对它们充电。MOSFET的开关速率因而被低落,器件效率也降落。为计较开关历程中器件的总损耗,设想职员必需计较开通历程中的损耗(Eon)和封闭历程中的损耗(Eoff)。MOSFET开关的总功率可用如下方程表达:Psw=(Eon+Eoff)×开关频次。而栅极电荷(Qgd)对开关机能的影响最大。

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  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的环节取舍尺度,由于Qg会影响开关损耗。这些损耗有两个方面影响:一个是影响MOSFET导通和封闭的转换时间;另一个是每次开关历程中对栅极电容充电所需的能量。要服膺的一点是,Qg取决于栅源电压,即利用更低的Vgs能够削减开关损耗。

  对付用在手持设施里的小型概况贴装器件,联系关系度最高的电流品级可能是在70℃情况温度下的电流,对付有散热片和强制风冷的大型设施,在TA = 25℃下的电流品级可能更靠近现实环境。对付某些器件来说,管芯在其最高结温下可以大概处置的电流要高于封装所限制的电流程度,在一些数据表,这种“管芯限制”的电流品级是对“封装限制”电流品级的分外弥补消息,能够让你领会管芯的鲁棒性。

  在高温下,温度系数会显著转变击穿电压。比方,一些600V电压品级的N沟道MOSFET的温度系数是正的,在靠近最高结温时,温度系数会让这些MOSFET变得象650V MOSFET。良多MOSFET用户的设想法则要求10%~20%的降额因子。在一些设想里,思量到现实的击穿电压比25℃下的额定命值要高5%~10%,会在现实设想中添加响应的有用设想裕量,对设想是很有益的。

  基于开关机能的主要性,新的手艺正在不竭开辟以处理这个开关问题。芯片尺寸的添加会加大栅极电荷;而这会使器件尺寸增大。为了削减开关损耗,新的手艺如沟道厚底氧化曾经应运而生,旨在削减栅极电荷。举例说,SuperFET这种新手艺就可通过低落RDS(ON)和栅极电荷(Qg),最大限度地削减传导损耗和提高开关机能。如许,MOSFET就能应答开关历程中的高速电压瞬变(dv/dt)和电流瞬变(di/dt),以至可在更高的开关频次下靠得住地事情。

  雪崩击穿是指半导体器件上的反向电压跨越最大值,并构成强电场使器件内电流添加。该电流将耗散功率,使器件的温度升高,并且有可能损坏器件。半导体公司城市对器件进行雪崩测试,计较其雪崩电压,或对器件的稳健性进行测试。计较额定雪崩电压有两种方式;一是统计法,另一是热计较。而热计较由于较为适用而获得普遍采用。不少公司都有供给其器件测试的详情,如飞兆半导体供给了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”( Power MOSFET Avalanche Guidelines--能够到Fairchild网站去下载)。除计较外,手艺对雪崩效应也有很大影响。比方,晶片尺寸的添加会提高抗雪崩威力,最终提高器件的稳健性。对最终用户而言,这象征着要在体系中采用更大的封装件。

  作为一种倏地比力预备用在开关使用里MOSFET的体例,设想者经常利用一个单数公式,公式包罗暗示传导损耗RDS(on)及暗示开关损耗的Qg:RDS(on) xQg。这个“优值系数”(FOM)总结了器件的机能,能够用典范值或最大值来比力MOSFET。要包管在器件中进行精确的比力,你必要确定用于RDS(on) 和Qg的是不异的VGS,在公示里典范值和最大值没有可巧混在一路。较低的FOM能让你在开关使用里得到更好的机能,可是不克不迭包管这一点。只要在现实的电路里才能得到最好的比力成果,在某些环境下可能必要针对每个MOSFET对电路进行微调。

  在沟道手艺中,晶片中嵌入了一个深沟,凡是是为低电压预留的,用于低落导通电阻RDS(ON)。为了削减最大VDS对RDS(ON)的影响,开辟历程中采用了外延发展柱/蚀刻柱工艺。比方,飞兆半导体开辟了称为SuperFET的手艺,针对RDS(ON)的低落而添加了分外的制作步调。

  瞄准确取舍MOSFET同样主要的是理解在导通历程中栅源电压VGS的感化。这个电压是在给定的最大RDS(on)前提下,可以大概确保MOSFET彻底导通的电压。这就是为什么导通电阻老是与VGS程度联系关系在一路的缘由,并且也是只要在这个电压下才能包管器件导通。一个主要的设想成果是,你不克不迭用比用于到达RDS(on)额定值的最低VGS还要低的电压,来使MOSFET彻底导通。比方,用3.3V微节制器驱动MOSFET彻底导通,你必要用在VGS= 2.5V或更低前提下可以大概导通的MOSFET。

  选好额定电流后,还必需计较导通损耗。在现实环境下,MOSFET并不是抱负的器件,由于在导电历程中会有电能损耗,这称之为导通损耗。MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻,由器件的RDS(ON)所确定,并随温度而显著变迁。器件的功率消耗可由Iload2×RDS(ON)计较,因为导通电阻随温度变迁,因而功率消耗也会随之按比例变迁。对MOSFET施加的电压VGS越高,RDS(ON)就会越小;反之RDS(ON)就会越高。对体系设想职员来说,这就是取决于体系电压而必要折中衡量的处所。对便携式设想来说,采用较低的电压比力容易(较为遍及),而对付工业设想,可采用较高的电压。留意RDS(ON)电阻会跟着电流轻细上升。关于RDS(ON)电阻的各类电气参数变迁可在制作商供给的手艺材料表中查到。

  一位工程师已经对我讲,他素来不看MOSFET数据表的第一页,由于“适用”的消息只在第二页当前才呈现。现实上,MOSFET数据表上的每一页都蕴含有对设想者很是有价值的消息。但人们不是总能搞得清晰该若何解读制作商供给的数据。本文归纳综合了一些MOSFET的环节目标,这些目标在数据表上是若何表述的,以及你理解这些目标所要用到的清楚图片。像大大都电子器件一样,MOSFET也遭到事情温度的影响。所以很主要的一点是领会测试前提,所提到的目标是在这些前提下使用的。另有很环节的一点是弄大白你在“产物简介”里看到的这些目标是“最大”或是“典范”值,由于有些数据表并没有说清晰。

  第二步是取舍MOSFET的额定电流。视电路布局而定,该额定电流应是负载在所无环境下可以大概蒙受的最大电流。与电压的环境类似,设想职员必需确保所选的MOSFET能蒙受这个额定电流,即便在体系发生尖峰电流时。两个思量的电流环境是持续模式和脉冲尖峰。在持续导通模式下,MOSFET处于稳态,此时电流持续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些前提下的最大电流,只要间接取舍能蒙受这个最大电流的器件便可。

  确定MOSFET的首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环境下,MOSFET所能蒙受的包管不损坏的最高电压。VDS也被称为“25℃下的绝对最高电压”,可是必然要记住,这个绝对电压与温度相关,并且数据内外凡是有一个“VDS温度系数”。你还要大白,最高VDS是直流电压加上可能在电路里具有的任何电压尖峰和纹波。比方,若是你在电压30V并带有100mV、5ns尖峰的电源里利用30V器件,电压就会跨越器件的绝对最高限值,器件可能会进入雪崩模式。在这种环境下,MOSFET的靠得住性没法获得包管。

  MOSFET的导通电阻老是在一个或多个栅源电压前提下确定的。最大RDS(on)限值能够比典范数值高20%~50%。RDS(on)最大限值凡是指的25℃结温下的数值,而在更高的温度下,RDS(on)能够添加30%~150%,如图1所示。因为RDS(on)随温度而变,并且不克不迭包管最小的电阻值,按照RDS(on)来检测电流不是很精确的方式。

  这种对RDS(ON)的关心十分主要,由于当尺度MOSFET的击穿电压升高时,RDS(ON)会随之呈指数级添加,而且导致晶片尺寸增大。SuperFET工艺将RDS(ON)与晶片尺寸间的指数关系酿成了线性关系。如许,SuperFET器件便可在小晶片尺寸,以至在击穿电压到达600V的环境下,实现抱负的低RDS(ON)。成果是晶片尺寸可减小达35%。而对付最终用户来说,这象征着封装尺寸的大幅减小。

  图1 RDS(on)在最高事情温度的30%~150%这个范畴内随温度添加而添加

  手艺对器件的特征有着严重影响,由于有些手艺在提高最大VDS时往往会使RDS(ON)增大。对付如许的手艺,若是筹算低落VDS和RDS(ON),那么就得添加晶片尺寸,从而添加与之配套的封装尺寸及有关的开辟本钱。业界现有好几种试图节制晶片尺寸添加的手艺,此中最次要的是沟道和电荷均衡手艺。

  要取舍适合使用的器件,必需确定驱动器件所需的电压,以及在设想中最简略纯真施行的方式。下一步是确定所需的额定电压,或者器件所能蒙受的最大电压。额定电压越大,器件的本钱就越高。按如实践经验,额定电压该当大于支线电压或总线电压。如许才能供给足够的庇护,使MOSFET不会失效。就取舍MOSFET而言,必需确定漏极至源极间可能蒙受的最大电压,即最大VDS。晓得MOSFET能蒙受的最大电压会随温度而变迁这点十分主要。设想职员必需在整个事情温度范畴内测试电压的变迁范畴。额定电压必需有足够的余量笼盖这个变迁范畴,确保电路不会失效。设想工程师必要思量的其他平安要素包罗由开关电子设施(如电机或变压器)诱发的电压瞬变。分歧使用的额定电压也有所分歧;凡是,便携式设施为20V、FPGA电源为20~30V、85~220VAC使用为450~600V。

  取舍MOSFET的下一步是计较体系的散热要求。设想职员必需思量两种分歧的环境,即最坏环境和实在环境。提议采用针对最坏环境的计较成果,由于这个成果供给更大的平安余量,能确保体系不会失效。在MOSFET的材料表上另有一些必要留意的丈量数据;好比封装器件的半导体结与情况之间的热阻,以及最大的结温。

  器件的结温等于最大情况温度加上热阻与功率耗散的乘积(结温=最大情况温度+[热阻×功率耗散])。按照这个方程可解出体系的最大功率耗散,即按界说相称于I2×RDS(ON)。因为设想职员已确定将要通过器件的最大电流,因而能够计较出分歧温度下的RDS(ON)。值得留意的是,在处置简略热模子时,设想职员还必需思量半导体结/器件外壳及外壳/情况的热容量;即要求印刷电路板和封装不会当即升温。

  为设想取舍准确器件的第一步是决定采用N沟道仍是P沟道MOSFET。在典范的功率使用中,当一个MOSFET接地,而负载毗连到支线电压上时,该MOSFET就形成了低压侧开关。在低压侧开关中,应采用N沟道MOSFET,这是出于对封闭或导通器件所需电压的思量。当MOSFET毗连到总线及负载接地时,就要用高压侧开关。凡是会在这个拓扑中采用P沟道MOSFET,这也是出于对电压驱动的思量。

  基于分歧的测试前提,大大都MOSFET在数据内外都有一个或多个的持续漏极电流。你要细心看看数据表,搞清晰这个额定值是在指定的外壳温度下(好比TC = 25℃),或是情况温度(好比TA = 25℃)。这些数值傍边哪些是最有关将取决于器件的特征和使用(见图2)。

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