電子發(fā)燒友App
俗話說“人無遠慮必有近憂”，對于電子設計工程師，在項目開始之前，器件選型之初，就要做好充分考慮，選擇適合自己需要的器件，才能保證項目的成功。
功率MOSFET恐怕是工程師們常用的器件之一了，但你知道嗎？關(guān)于MOSFET的器件選型要考慮方方面面的因素，小到選N型還是P型、封裝類型，大到MOSFET的耐壓、導通電阻等，不同的應用需求千變?nèi)f化，下面這篇文章總結(jié)了MOSFET器件選型的10步法則，相信看完你會大有收獲。
1、功率MOSFET選型步：P管，還是N管？
功率MOSFET有兩種類型：N溝道和P溝道，在系統(tǒng)設計的過程中選擇N管還是P管，要針對實際的應用具體來選擇，N溝道MOSFET選擇的型號多，成本低；P溝道MOSFET選擇的型號較少，成本高。如果功率MOSFET的S極連接端的電壓不是系統(tǒng)的參考地，N溝道就需要浮地供電電源驅(qū)動、變壓器驅(qū)動或自舉驅(qū)動，驅(qū)動電路復雜；P溝道可以直接驅(qū)動，驅(qū)動簡單。
需要考慮N溝道和P溝道的應用主要有：
?。?）筆記本電腦、臺式機和服務器等使用的給CPU和系統(tǒng)散熱的風扇，打印機進紙系統(tǒng)電機驅(qū)動，吸塵器、空氣凈化器、電風扇等白家電的電機控制電路，這些系統(tǒng)使用全橋電路結(jié)構(gòu)，每個橋臂上管可以使用P管，也可以使用N管。
?。?）通信系統(tǒng)48V輸入系統(tǒng)的熱插撥MOSFET放在高端，可以使用P管，也可以使用N管。
（3）筆記本電腦輸入回路串聯(lián)的、起防反接和負載開關(guān)作用的二個背靠背的功率MOSFET，使用N溝道需要控制芯片內(nèi)部集成驅(qū)動的充電泵，使用P溝道可以直接驅(qū)動。
2、選取封裝類型
功率MOSFET的溝道類型確定后，第二步就要確定封裝，封裝選取原則有：
?。?）溫升和熱設計是選取封裝基本的要求
不同的封裝尺寸具有不同的熱阻和耗散功率，除了考慮系統(tǒng)的散熱條件和環(huán)境溫度，如是否有風冷、散熱器的形狀和大小限制、環(huán)境是否封閉等因素，基本原則就是在保證功率MOSFET的溫升和系統(tǒng)效率的前提下，選取參數(shù)和封裝更通用的功率MOSFET。
有時候由于其他條件的限制，需要使用多個MOSFET并聯(lián)的方式來解決散熱的問題，如在PFC應用、電動汽車電機控制器、通信系統(tǒng)的模塊電源次級同步整流等應用中，都會選取多管并聯(lián)的方式。
如果不能采用多管并聯(lián)，除了選取性能更優(yōu)異的功率MOSFET，另外可以采用更大尺寸的封裝或新型封裝，例如在一些AC/DC電源中將TO220改成TO247封裝；在一些通信系統(tǒng)的電源中，采用DFN8*8的新型封裝。
?。?）系統(tǒng)的尺寸限制
有些電子系統(tǒng)受制于PCB的尺寸和內(nèi)部的高度，如通信系統(tǒng)的模塊電源由于高度的限制通常采用DFN5*6、DFN3*3的封裝；在有些ACDC的電源中，使用超薄設計或由于外殼的限制，裝配時TO220封裝的功率MOSFET管腳直接插到根部，高度的限制不能使用TO247的封裝。有些超薄設計直接將器件管腳折彎平放，這種設計生產(chǎn)工序會變復雜。
在大容量的鋰電池保護板的設計中，由于尺寸限制極為苛刻，現(xiàn)在大多使用芯片級的CSP封裝，盡可能的提高散熱性能，同時保證的尺寸。
?。?）公司的生產(chǎn)工藝
TO220有二種封裝：裸露金屬的封裝和全塑封裝，裸露金屬的封裝熱阻小，散熱能力強，但在生產(chǎn)過程中，需要加絕緣墜，生產(chǎn)工藝復雜成本高，而全塑封裝熱阻大，散熱能力弱，但生產(chǎn)工藝簡單。
為了減小鎖螺絲的人工工序，近幾年一些電子系統(tǒng)采用夾子將功率MOSFET夾在散熱片中，這樣就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)的TO220上部帶孔的部分去除的新的封裝形式，同時也減小的器件的高度。
（4）成本控制
早期很多電子系統(tǒng)使用插件封裝，這幾年由于人工成本增加，很多公司開始改用貼片封裝，雖然貼片的焊接成本比插件高，但是貼片焊接的自動化程度高，總體成本仍然可以控制在合理的范圍。在臺式機主板、板卡等一些對成本極其敏感的應用中，通常采用DPAK封裝的功率MOSFET，因為這種封裝的成本低。
因此在選擇功率MOSFET的封裝時，要結(jié)合自己公司的風格和產(chǎn)品的特點，綜合考慮上面因素。
3、選取耐壓BVDSS
在大多數(shù)情況下，似乎選取功率MOSFET的耐壓對于很多工程師來說是容易的一件事情，因為設計的電子系統(tǒng)輸入電壓是相對固定的，公司選取特定的供應商的一些料號，產(chǎn)品額定電壓也是固定的。例如在筆記本電腦適配器、手機充電器中，輸入為90～265V的交流，初級通常選用600V或650V的功率MOSFET；筆記本電腦主板輸入電壓19V，通常選用30V的功率MOSFET，根本不需要任何的考慮。
數(shù)據(jù)表中功率MOSFET的擊穿電壓BVDSS有確定的測試條件，在不同的條件下具有不同的值，而且BVDSS具有正溫度系數(shù)，在實際的應用中要結(jié)合這些因素綜合考慮。
很多資料和文獻中經(jīng)常提到：如果系統(tǒng)中功率MOSFET的VDS的尖峰電壓如果大于BVDSS，即便這個尖峰脈沖電壓的持續(xù)只有幾個或幾十個ns，功率MOSFET也會進入雪崩從而發(fā)生損壞。
不同于三極管和IGBT，功率MOSFET具有抗雪崩的能力，而且很多大的半導體公司功率MOSFET的雪崩能量在生產(chǎn)線上是全檢的、100%檢測，也就是在數(shù)據(jù)中這是一個可以保證的測量值，雪崩電壓通常發(fā)生在1.2～1.3倍的BVDSS，而且持續(xù)的時間通常都是μs、甚至ms級，那么持續(xù)只有幾個或幾十個ns、遠低于雪崩電壓的尖峰脈沖電壓是不會對功率MOSFET產(chǎn)生損壞的。
為什么在實際的設計中，要求在極端的情況下，功率MOSFET的VDS電壓必須低于BVDSS、同時還要有一定的降額，如5%，10%，甚至20%的降額？
原因在于：保證電子系統(tǒng)的可生產(chǎn)性，以及在大批量生產(chǎn)時候的可靠性。
任何電子系統(tǒng)的設計，實際的參數(shù)都會有一定的變化范圍，有時候很難保證多個極端的情況碰到一起，從而對系統(tǒng)產(chǎn)生問題，特別是在高溫的條件下，功率器件以及系統(tǒng)的其他元件溫度系數(shù)的漂移會產(chǎn)生一些難以想象的問題，降額以及設計的裕量可以盡可能的減小在這些極端條件下發(fā)生損壞的問題。
4、由驅(qū)動電壓選取VTH
不同電子系統(tǒng)的功率MOSFET選取的驅(qū)動電壓并不相同，AC/DC電源通常使用12V的驅(qū)動電壓，筆記本的主板DC/DC變換器使用5V的驅(qū)動電壓，因此要根據(jù)系統(tǒng)的驅(qū)動電壓選取不同閾值電壓VTH的功率MOSFET。
數(shù)據(jù)表中功率MOSFET的閾值電壓VTH也有確定的測試條件，在不同的條件下具有不同的值，VTH具有負溫度系數(shù)。不同的驅(qū)動電壓VGS對應著不同的導通電阻，在實際的應用中要考慮溫度的變化，既要保證功率MOSFET完全開通，同時又要保證在關(guān)斷的過程中耦合在G極上的尖峰脈沖不會發(fā)生誤觸發(fā)產(chǎn)生直通或短路。
5、選取導通電阻RDSON，注意：不是電流
很多時候工程師關(guān)心RDSON，是因為RDSON和導通損耗直接相關(guān)，RDSON越小，功率MOSFET的導通損耗越小、效率越高、溫升越低。同樣的，工程師盡可能沿用以前項目中或物料庫中現(xiàn)有的元件，對于RDSON的真正的選取方法并沒有太多的考慮。當選用的功率MOSFET的溫升太低，出于成本的考慮，會改用RDSON大一些的元件；當功率MOSFET的溫升太高、系統(tǒng)的效率偏低，就會改用RDSON小一些的元件，或通過優(yōu)化外部的驅(qū)動電路，改進散熱的方式等來進行調(diào)整。
如果是一個全新的項目，沒有以前的項目可循，那么如何選取功率MOSFET的RDSON？這里介紹一個方法給大家：功耗分配法。
當設計一個電源系統(tǒng)的時候，已知條件有：輸入電壓范圍、輸出電壓/輸出電流、效率、工作頻率、驅(qū)動電壓，當然還有其他的技術(shù)指標和功率MOSFET相關(guān)的主要是這些參數(shù)。步驟如下：
?。?）根據(jù)輸入電壓范圍、輸出電壓/輸出電流、效率，計算系統(tǒng)的損耗。
?。?）功率回路的雜散損耗，非功率回路元件的靜態(tài)損耗，IC的靜態(tài)損耗以及驅(qū)動損耗，做大致的估算，經(jīng)驗值可以占總損耗的10%～15%。如果功率回路有電流取樣電阻，計算電流取樣電阻的功耗?？倱p耗減去上面的這些損耗，剩下部分就是功率器件、變壓器或電感的功率損耗。
將剩下的功率損耗按一定的比例分配到功率器件和變壓器或電感中，不確定的話，按元件數(shù)目平均分配，這樣就得到每個MOSFET的功率損耗。
?。?）將MOSFET的功率損耗，按一定的比例分配給開關(guān)損耗和導通損耗，不確定的話，平均分配開關(guān)損耗和導通損耗。
?。?）由MOSFET導通損耗和流過的有效值電流，計算允許的導通電阻，這個電阻是MOSFET在工作結(jié)溫的RDSON。
數(shù)據(jù)表中功率MOSFET的RDSON標注有確定的測試條件，在不同的定義的條件下具有不同的值，測試的溫度為：TJ=25℃，RDSON具有正溫度系數(shù)，因此根據(jù)MOSFET的工作結(jié)溫和RDSON溫度系數(shù)，由上述RDSON計算值，得到25℃溫度下對應的RDSON。
?。?）由25℃的RDSON來選取型號合適的功率MOSFET，根據(jù)MOSFET的RDSON實際參數(shù)，向下或向上修整。
通過以上步驟，就初步選定功率MOSFET的型號和RDSON參數(shù)。
很多資料和文獻中，經(jīng)常計算系統(tǒng)的電流，然后進行降額，由功率MOSFET數(shù)據(jù)表的電流值來選取器件，這種方法是不對的。
功率MOSFET的電流是一個計算值，而且是基于TC=25℃，也沒有考慮開關(guān)損耗，因此這種方法和實際的應用差距太大，沒有參考價值。在一些有大電流沖擊要求有短路保護的應用中，會校核數(shù)據(jù)表中的漏極脈沖電流值及其持續(xù)時間，這個和選取RDSON沒有直接的關(guān)系。
6、選取開關(guān)特性：Crss、Coss、Ciss；Qg、Qgd、Qoss功率MOSFET在開關(guān)過程中產(chǎn)生開關(guān)損耗，開關(guān)損耗主要和這些開關(guān)特性參數(shù)有關(guān)。QG影響驅(qū)動損耗，這一部分損耗并不消耗在功率MOSFET中，而且是消耗在驅(qū)動IC中。QG越大，驅(qū)動損耗越大。
基于RDSON選取了功率MOSFET的型號后，這些開關(guān)特性參數(shù)都可以在數(shù)據(jù)表中查到，然后根據(jù)這些參數(shù)計算開關(guān)損耗。
7、熱設計及校核
根據(jù)選取的功率MOSFET的數(shù)據(jù)表和系統(tǒng)的工作狀態(tài)，計算其導通損耗和開關(guān)損耗，由總的功率損耗和工作的環(huán)境溫度計算MOSFET的結(jié)溫，校核其是否在設計的范圍。所有條件基于惡劣的條件，然后由計算的結(jié)果做相應的調(diào)整。
如果總的損耗偏大，大于分配的功率損耗，那么就要重新選取其他型號的功率MOSFET，可以查看比選取的功率MOSFE的RDSON更大或更小的其他型號，再次校核總的功率損耗，上述過程通常要配合第5、6步，經(jīng)過幾次的反復校驗，確定與設計相匹配的型號，直到滿足設計的要求。
有時候由于產(chǎn)品型號的限制找不到參數(shù)合適的產(chǎn)品，可以采用以下的方法：
?。?）使用多管并聯(lián)的方式，來解決散熱和溫升的問題。
?。?）將功率損耗重新分配，變壓器或電感、其他的功率元件分配更多的功耗。更改功率分配的時候，也要保證其他元件的溫升滿足系統(tǒng)設計要求。
?。?）如果系統(tǒng)允許，改變散熱的方式或加大散熱器的尺寸。
（4）其他因素，調(diào)整工作頻率、更改電路結(jié)構(gòu)等，如PFC采用交錯結(jié)構(gòu)，采用LLC或其他軟開關(guān)電路。
8、校核二極管特性
在橋式電路中如全橋、半橋、LLC以及BUCK電路的下管，有內(nèi)部寄生二極管的反向恢復的問題，簡單的方法就是采用內(nèi)部帶快恢復二極管的功率MOSFET，如果內(nèi)部不帶快恢復二極管，就要考慮內(nèi)部寄生二極管的反向恢復特性：Irrm、Qrr、trr、trr1/trr2，如trr要小于250ns，這些參數(shù)影響著關(guān)斷的電壓尖峰、效率，以及可靠性，如在LLC的起動、短路中，系統(tǒng)進入容性模式、若二極管反向恢復性能較差，容易產(chǎn)生上下管直通而損壞的問題。如果控制器具有容性模式保護功能，就不用考慮這個因素。
9、雪崩能量及UIS、dv/dt
雪崩能量及測試的條件參考下面的文章，有非常詳細的詳明。除了反激和一些電機驅(qū)動的應用，大多結(jié)構(gòu)不會發(fā)生這種單純的電壓箝位的雪崩，很多應用情況下，二極管反向恢復過程中dv/dt、過溫以及大電流的綜合作用產(chǎn)生動態(tài)雪崩擊穿損壞，相關(guān)的內(nèi)容可參考文章。
10、其他參數(shù)
內(nèi)部RG的大小、負載開關(guān)和熱插撥工作在線性區(qū)的問題、SOA特性，和EMI相關(guān)的參數(shù)、等等。
工商網(wǎng)監(jiān)
評論