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仅仅只需7步 便秒懂MOS管选型-细说MOS管選型技巧-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-12-05 

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MOS管選型技巧

選擇到一款正確的MOS管,可以很好地控制生産制造成本,最爲重要的是,爲産品匹配了一款最恰當的元器件,這在産品未來的使用過程中,將會充分發揮其“螺絲釘”的作用,確保設備得到最高效、最穩定、最持久的應用效果。那麽面對市面上琳琅滿目的MOS管,該如何選擇呢?下面,我們就分7個步驟來闡述MOS管的選型要求。

MOS管是電子制造的基本元件,但面對不同封裝、不同特性、不同品牌的MOS管時,該如何抉擇?有沒有省心、省力的遴選方法?


首先是確定N、P溝道的選擇

MOS管有兩種結構形式,即N溝道型和P溝道型,結構不一樣,使用的電壓極性也會不一樣,因此,在確定選擇哪種産品前,首先需要確定采用N溝道還是P溝道MOS管。

MOS管選型技巧


MOS管的兩種結構:N溝道型和P溝道型

在典型的功率應用中,當一個MOS管接地,而負載連接到幹線電壓上時,該MOS管就構成了低壓側開關。在低壓側開關中,應采用N溝道MOS管,這是出于對關閉或導通器件所需電壓的考慮。


當MOS管連接到總線及負載接地時,就要用高壓側開關。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOS管,這也是出于對電壓驅動的考慮。

要選擇適合應用的器件,必須確定驅動器件所需的電壓,以及在設計中最簡易執行的方法。


第二步是確定電壓

額定電壓越大,器件的成本就越高。從成本角度考慮,還需要確定所需的額定電壓,即器件所能承受的最大電壓。根據實踐經驗,額定電壓應當大于幹線電壓或總線電壓,一般會留出1.2~1.5倍的電壓余量,這樣才能提供足夠的保護,使MOS管不會失效。

就選擇MOS管而言,必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓,即最大VDS。由于MOS管所能承受的最大電壓會隨溫度變化而變化,設計人員必須在整個工作溫度範圍內測試電壓的變化範圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個變化範圍,確保電路不會失效。

此外,设计工程师还需要考虑其他安全因素:如由开关电子设备(常见有电机或变压器)诱发的电压瞬变。另外,不同应用的额定电压也有所不同;通常便携式设备选用20V的MOS管,FPGA电源为20~30V的MOS管,85~220V AC应用时MOS管VDS为450~600V。



第三步爲確定電流

確定完電壓後,接下來要確定的就是MOS管的電流。需根據電路結構來決定,MOS管的額定電流應是負載在所有情況下都能夠承受的最大電流;與電壓的情況相似,MOS管的額定電流必須能滿足系統産生尖峰電流時的需求。電流的確定需從兩個方面著手:連續模式和脈沖尖峰。在連續導通模式下,MOS管處于穩態,此時電流連續通過器件。脈沖尖峰是指有大量電湧(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流,只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可。


選好額定電流後,還必須計算導通損耗。在實際情況下,MOS管並不是理想的器件,因爲在導電過程中會有電能損耗,也就是導通損耗。MOS管在“導通”時就像一個可變電阻,由器件的導通電阻RDS(ON)所確定,並隨溫度而顯著變化。器件的功率損耗PTRON=Iload2×RDS(ON)計算(Iload:最大直流輸出電流),由于導通電阻會隨溫度變化,因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOS管施加的電壓VGS越高,RDS(ON)就會越小;反之RDS(ON)就會越高。


對系統設計人員來說,這就需要折中權衡。對便攜式設計來說,采用較低的電壓即可(較爲普遍);而對于工業設計來說,可采用較高的電壓。需要注意的是,RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。


技術對器件的特性有著重大影響,因爲有些技術在提高最大VDS(漏源額定電壓)時往往會使RDS(ON)增大。對于這樣的技術,如果打算降低VDS和RDS(ON),那麽就得增加晶片尺寸,從而增加與之配套的封裝尺寸及相關的開發成本。業界現有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術,其中最主要的是溝道和電荷平衡技術。


第四步是確定熱要求

在確定電流之後,就要計算系統的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況:最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結果,因爲這個結果提供更大的安全余量,能確保系統不會失效。在MOS管的資料表上還有一些需要注意的測量數據,比如封裝器件的半導體結與環境之間的熱阻,以及最大的結溫。


器件的結溫等于最大環境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積,即結溫=最大環境溫度+(熱阻×功率耗散)。根據這個方程可解出系統的最大功率耗散=I2×RDS(ON)。

由于設計人員已確定將要通過器件的最大電流,因此可以計算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是,在處理簡單熱模型時,設計人員還必須考慮半導體結/器件外殼及外殼/環境的熱容量;即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫。


雪崩擊穿(指半導體器件上的反向電壓超過最大值,並形成強電場使器件內電流增加)形成的電流將耗散功率,使器件溫度升高,而且有可能損壞器件。半導體公司都會對器件進行雪崩測試,計算其雪崩電壓,或對器件的穩健性進行測試。

計算額定雪崩電壓有兩種方法;一是統計法,另一是熱計算。而熱計算因爲較爲實用而得到廣泛采用。除計算外,技術對雪崩效應也有很大影響。例如,晶片尺寸的增加會提高抗雪崩能力,最終提高器件的穩健性。對最終用戶而言,這意味著要在系統中采用更大的封裝件。


第五步是確定開關性能

選擇MOS管的最後一步是確定其開關性能。影響開關性能的參數有很多,但最重要的是柵極/漏極、柵極/源極及漏極/源極電容。因爲在每次開關時都要對這些電容充電,會在器件中産生開關損耗;MOS管的開關速度也因此被降低,器件效率隨之下降;其中,柵極電荷(Qgd)對開關性能的影響最大。


爲計算開關過程中器件的總損耗,設計人員必須計算開通過程中的損耗(Eon)和關閉過程中的損耗(Eoff),進而推導出MOS管開關總功率:Psw=(Eon+Eoff)×開關頻率。

MOS管選型技巧

增強型NMOS管構成的開關電路


第六步爲封裝因素考量

不同的封裝尺寸MOS管具有不同的熱阻和耗散功率,需要考慮系統的散熱條件和環境溫度(如是否有風冷、散熱器的形狀和大小限制、環境是否封閉等因素),基本原則就是在保證功率MOS管的溫升和系統效率的前提下,選取參數和封裝更通用的功率MOS管。


常見的MOS管封裝有:

①插入式封裝:TO-3P、TO-247、TO-220、TO-220F、TO-251、TO-92;


②表面貼裝式:TO-263、TO-252、SOP-8、SOT-23、DFN5*6、DFN3*3;

MOS管選型技巧

TO封裝MOS管


不同的封裝形式,MOS管對應的極限電流、電壓和散熱效果都會不一樣,簡單介紹如下。

TO-3P/247:是中高壓、大電流MOS管常用的封裝形式,産品具有耐壓高、抗擊穿能力強等特點,適于中壓大電流(電流10A以上、耐壓值在100V以下)在120A以上、耐壓值200V以上的場所中使用。


TO-220/220F:這兩種封裝樣式的MOS管外觀差不多,可以互換使用,不過TO-220背部有散熱片,其散熱效果比TO-220F要好些,價格相對也要貴些。這兩個封裝産品適于中壓大電流120A以下、高壓大電流20A以下的場合應用。


TO-251:該封裝産品主要是爲了降低成本和縮小産品體積,主要應用于中壓大電流60A以下、高壓7N以下環境中。


TO-92:該封裝只有低壓MOS管(電流10A以下、耐壓值60V以下)和高壓1N60/65在采用,主要是爲了降低成本。


TO-263:是TO-220的一個變種,主要是爲了提高生産效率和散熱而設計,支持極高的電流和電壓,在150A以下、30V以上的中壓大電流MOS管中較爲多見。


TO-252:是目前主流封裝之一,適用于高壓在7N以下、中壓在70A以下環境中。


SOP-8:該封裝同樣是爲降低成本而設計,一般在50A以下的中壓、60V左右的低壓MOS管中較爲多見。


SOT-23:適于幾A電流、60V及以下電壓環境中采用,其又分有大體積和小體積兩種,主要區別在于電流值不同。


第七步要選擇好品牌

MOS管的生産企業很多,大致說來,主要有歐美系、日系、韓系、台系、國産幾大系列。


歐美系代表企業:IR、ST、仙童、安森美、TI、PI、英飛淩等;


日系代表企業:東芝、瑞薩、新電元等;


韓系代表企業:KEC、AUK、美格納、森名浩、威士頓、信安、KIA等;


台系代表企業:APEC、CET;


國産代表企業:吉林華微、士蘭微、華潤華晶、東光微、深愛半導體等。


在這些品牌中,以歐美系企業的産品種類最全、技術及性能最優,從性能效果考慮,是爲MOS管的首選;以瑞薩、東芝爲代表的日系企業也是MOS管的高端品牌,同樣具有很強的競爭優勢;這些品牌也是市面上被仿冒最多的。另外,由于品牌價值、技術優勢等原因,歐美系和日系品牌企業的産品價格也往往較高。


韓國和中國台灣的MOS管企業也是行業的重要産品供應商,不過在技術上,要稍弱于歐美及日系企業,但在價格方面,較歐美及日系企業更具優勢;性價比相對高很多。


而在中国大陆,同样活跃着一批本土企业,他们借助更低的成本优势和更快的客戶服務响应速度,在中低端及细分领域具有很强的竞争力,部分实现了国产替代;目前也在不断冲击高端产品线,以满足本土客户的需求。另外,本土企业还通过资本运作,成功收购了安世半导体等国际知名的功率器件公司,将更好地满足本土对功率器件的需求。


總結

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萬化,工程師在選擇MOS管時,一定要依據電路設計需求及MOS管工作場所來選取合適的MOS管,從而獲得最佳的産品設計體驗。當然,在考慮性能的同時,成本也是選擇的因素之一,只有高性價比的産品,才能讓工程師設計的産品在品質與收益中達到平衡。


MOS管選型表

MOS管選型技巧



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