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海城MOSFET器件選型的3大法則

功率MOSFET恐怕是工程師們最常用的器件之一了,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(dǎo)通電阻等,不同的應(yīng)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(shè)計的過程中選擇N管還是P管,要針對實(shí)際的應(yīng)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(fù)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(yīng)用主要有:

(1)筆記本電腦、臺式機(jī)和服務(wù)器等使用的給CPU和系統(tǒng)散熱的風(fēng)扇,打印機(jī)進(jìn)紙系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動,吸塵器、空氣凈化器、電風(fēng)扇等家電的電機(jī)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。

(2)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(fù)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。

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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:

(1)溫升和熱設(shè)計是選取封裝最基本的要求

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(fēng)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(yīng)用、電動汽車電機(jī)控制器、通信系統(tǒng)的模塊電源次級同步整流等應(yīng)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。

(2)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DFN56、DFN33的封裝;在有些ACDC的電源中,使用超薄設(shè)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(shè)計直接將器件管腳折彎平放,這種設(shè)計生產(chǎn)工序會變復(fù)雜。

在大容量的鋰電池保護(hù)板的設(shè)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,同時保證最小的尺寸。

(3)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(jī)主板、板卡等一些對成本極其敏感的應(yīng)用中,通常采用DPAK封裝的功率MOSFET,因?yàn)檫@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(fēng)格和產(chǎn)品的特點(diǎn),綜合考慮上面因素。



3、選取導(dǎo)通電阻RDSON,注意:不是電流

很多時候工程師關(guān)心RDSON,是因?yàn)镽DSON和導(dǎo)通損耗直接相關(guān),RDSON越小,功率MOSFET的導(dǎo)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(xiàng)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(dāng)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(dāng)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(jìn)散熱的方式等來進(jìn)行調(diào)整。

如果是一個全新的項(xiàng)目,沒有以前的項(xiàng)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(dāng)設(shè)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(dāng)然還有其他的技術(shù)指標(biāo)和功率MOSFET相關(guān)的主要是這些參數(shù)。步驟如下:

(1)根據(jù)輸入電壓范圍、輸出電壓/輸出電流、效率,計算系統(tǒng)的更大損耗。

(2)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(yàn)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。總損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。

(3)將MOSFET的功率損耗,按一定的比例分配給開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗,不確定的話,平均分配開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。

(4)由MOSFET導(dǎo)通損耗和流過的有效值電流,計算更大允許的導(dǎo)通電阻,這個電阻是MOSFET在更高工作結(jié)溫的RDSON。

數(shù)據(jù)表中功率MOSFET的RDSON標(biāo)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更高的工作結(jié)溫和RDSON溫度系數(shù),由上述RDSON計算值,得到25℃溫度下對應(yīng)的RDSON。

(5)由25℃的RDSON來選取型號合適的功率MOSFET,根據(jù)MOSFET的RDSON實(shí)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)。