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只需7步,秒懂MOS管选型

2018-12-04
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MOS管是电子制造的基本元件,但面对不同封装、不同特性、不同品牌的MOS管时,该如何抉择?有没有省心、省力的遴选方法?下面我们就来看一下老司机是如何做的。



选择到一款正确的MOS管,可以很好地控制生产制造成本,最为重要的是,为产品匹配了一款最恰当的元器件,这在产品未来的使用过程中,将会充分发挥其“螺丝钉”的作用,确保设备得到最高效、最稳定、最持久的应用效果。


那么面对市面上琳琅满目的MOS管,该如何选择呢?下面,我们就分7个步骤来阐述MOS管的选型要求。



首先是确定N、P沟道的选择


MOS管有两种结构形式,即N沟道型和P沟道型,结构不一样,使用的电压极性也会不一样,因此,在确定选择哪种产品前,首先需要确定采用N沟道还是P沟道MOS管。


MOS管的两种结构:N沟道型和P沟道型


在典型的功率应用中,当一个MOS管接地,而负载连接到干线电压上时,该MOS管就构成了低压侧开关。在低压侧开关中,应采用N沟道MOS管,这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。


当MOS管连接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采用P沟道MOS管,这也是出于对电压驱动的考虑。


要选择适合应用的器件,必须确定驱动器件所需的电压,以及在设计中最简易执行的方法。



第二步是确定电压


额定电压越大,器件的成本就越高。从成本角度考虑,还需要确定所需的额定电压,即器件所能承受的最大电压。根据实践经验,额定电压应当大于干线电压或总线电压,一般会留出1.2~1.5倍的电压余量,这样才能提供足够的保护,使MOS管不会失效。


就选择MOS管而言,必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压,即最大VDS。由于MOS管所能承受的最大电压会随温度变化而变化,设计人员必须在整个工作温度范围内测试电压的变化范围。额定电压必须有足够的余量覆盖这个变化范围,确保电路不会失效。


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。



第三步为确定电流


确定完电压后,接下来要确定的就是MOS管的电流。需根据电路结构来决定,MOS管的额定电流应是负载在所有情况下都能够承受的最大电流;与电压的情况相似,MOS管的额定电流必须能满足系统产生尖峰电流时的需求。


电流的确定需从两个方面着手:连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下,MOS管处于稳态,此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流,只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。


选好额定电流后,还必须计算导通损耗。在实际情况下,MOS管并不是理想的器件,因为在导电过程中会有电能损耗,也就是导通损耗。MOS管在“导通”时就像一个可变电阻,由器件的导通电阻RDS(ON)所确定,并随温度而显著变化。


器件的功率损耗PTRON=Iload2×RDS(ON)计算(Iload:最大直流输出电流),由于导通电阻会随温度变化,因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOS管施加的电压VGS越高,RDS(ON)就会越小;反之RDS(ON)就会越高。

对系统设计人员来说,这就需要折中权衡。


对便携式设计来说,采用较低的电压即可(较为普遍);而对于工业设计来说,可采用较高的电压。需要注意的是,RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升。


技术对器件的特性有着重大影响,因为有些技术在提高最大VDS(漏源额定电压)时往往会使RDS(ON)增大。对于这样的技术,如果打算降低VDS和RDS(ON),那么就得增加晶片尺寸,从而增加与之配套的封装尺寸及相关的开发成本。业界现有好几种试图控制晶片尺寸增加的技术,其中最主要的是沟道和电荷平衡技术。


在沟道技术中,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)。为了减少最大VDS对RDS(ON)的影响,开发过程中采用了外延生长柱/蚀刻柱工艺。例如,飞兆半导体开发的SupeRFET技术,针对RDS(ON)的降低而增加了额外的制造步骤。


这种对RDS(ON)的关注十分重要,因为当标准MOSFET的击穿电压升高时,RDS(ON)会随之呈指数级增加,并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变成了线性关系。


这样,SuperFET器件便可在小晶片尺寸,甚至在击穿电压达到600V的情况下,实现理想的低RDS(ON)。结果是晶片尺寸可减小达35%。而对于最终用户来说,这意味着封装尺寸的大幅减小。


SuperFET III MOSFET系列参数



第四步是确定热要求


在确定电流之后,就要计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况:最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果,因为这个结果提供更大的安全余量,能确保系统不会失效。在MOS管的资料表上还有一些需要注意的测量数据,比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻,以及最大的结温。


器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积,即结温=最大环境温度+(热阻×功率耗散)。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散=I2×RDS(ON)。


由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流,因此可以计算出不同温度下的RDS(ON)。值得注意的是,在处理简单热模型时,设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量;即要求印刷电路板和封装不会立即升温。


雪崩击穿(指半导体器件上的反向电压超过最大值,并形成强电场使器件内电流增加)形成的电流将耗散功率,使器件温度升高,而且有可能损坏器件。半导体公司都会对器件进行雪崩测试,计算其雪崩电压,或对器件的稳健性进行测试。


计算额定雪崩电压有两种方法;一是统计法,另一是热计算。而热计算因为较为实用而得到广泛采用。除计算外,技术对雪崩效应也有很大影响。例如,晶片尺寸的增加会提高抗雪崩能力,最终提高器件的稳健性。对最终用户而言,这意味着要在系统中采用更大的封装件。



第五步是确定开关性能


选择MOS管的最后一步是确定其开关性能。影响开关性能的参数有很多,但最重要的是栅极/漏极、栅极/源极及漏极/源极电容。因为在每次开关时都要对这些电容充电,会在器件中产生开关损耗;MOS管的开关速度也因此被降低,器件效率随之下降;其中,栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最大。


为计算开关过程中器件的总损耗,设计人员必须计算开通过程中的损耗(Eon)和关闭过程中的损耗(Eoff),进而推导出MOS管开关总功率:Psw=(Eon+Eoff)×开关频率。


增强型NMOS管构成的开关电路



第六步为封装因素考量


不同的封装尺寸MOS管具有不同的热阻和耗散功率,需要考虑系统的散热条件和环境温度(如是否有风冷、散热器的形状和大小限制、环境是否封闭等因素),基本原则就是在保证功率MOS管的温升和系统效率的前提下,选取参数和封装更通用的功率MOS管。


常见的MOS管封装有:


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

②表面贴装式:TO-263、TO-252、SOP-8、SOT-23、DFN。


TO封装MOS管


不同的封装形式,MOS管对应的极限电流、电压和散热效果都会不一样,简单介绍如下。


TO-3P/247:是中高压、大电流MOS管常用的封装形式,产品具有耐压高、抗击穿能力强等特点,适于中压大电流(电流10A以上、耐压值在100V以下)在120A以上、耐压值200V以上的场所中使用。


TO-220/220F:这两种封装样式的MOS管外观差不多,可以互换使用,不过TO-220背部有散热片,其散热效果比TO-220F要好些,价格相对也要贵些。这两个封装产品适于中压大电流120A以下、高压大电流20A以下的场合应用。


TO-251:该封装产品主要是为了降低成本和缩小产品体积,主要应用于中压大电流60A以下、高压7N以下环境中。


TO-92:该封装只有低压MOS管(电流10A以下、耐压值60V以下)和高压1N60/65在采用,主要是为了降低成本。


TO-263:是TO-220的一个变种,主要是为了提高生产效率和散热而设计,支持极高的电流和电压,在150A以下、30V以上的中压大电流MOS管中较为多见。


TO-252:是目前主流封装之一,适用于高压在7N以下、中压在70A以下环境中。


SOP-8:该封装同样是为降低成本而设计,一般在50A以下的中压、60V左右的低压MOS管中较为多见。


SOT-23:适于几A电流、60V及以下电压环境中采用,其又分有大体积和小体积两种,主要区别在于电流值不同。


DFN:体积上,较SOT-23大,但小于TO-252,一般在低压和30A以下中压MOS管中有采用,得益于产品体积小,主要应用于DC小功率电流环境中。



第七步要选择好品牌


MOS管的生产企业很多,大致说来,主要有欧美系、日系、韩系、台系、国产几大系列。


欧美系代表企业:IR、ST、仙童、安森美、TI、PI、英飞凌等;

日系代表企业:东芝、瑞萨、新电元等;

韩系代表企业:KEC、AUK、美格纳、森名浩、威士顿、信安、KIA等;

台系代表企业:APEC、CET;

国产代表企业:吉林华微、士兰微、华润华晶、东光微、深爱半导体等。


在这些品牌中,以欧美系企业的产品种类最全、技术及性能最优,从性能效果考虑,是为MOS管的首选;以瑞萨、东芝为代表的日系企业也是MOS管的高端品牌,同样具有很强的竞争优势;这些品牌也是市面上被仿冒最多的。另外,由于品牌价值、技术优势等原因,欧美系和日系品牌企业的产品价格也往往较高。


韩国和中国台湾的MOS管企业也是行业的重要产品供应商,不过在技术上,要稍弱于欧美及日系企业,但在价格方面,较欧美及日系企业更具优势;性价比相对高很多。


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户服务响应速度,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。



小结


小到选N型还是P型、封装类型,大到MOSFET的耐压、导通电阻等,不同的应用需求千变万化,工程师在选择MOS管时,一定要依据电路设计需求及MOS管工作场所来选取合适的MOS管,从而获得最佳的产品设计体验。当然,在考虑性能的同时,成本也是选择的因素之一,只有高性价比的产品,才能让工程师设计的产品在品质与收益中达到平衡。



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