10步法則教你搞定MOSFET選型
發(fā)布時(shí)間:2019-03-01 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】對(duì)于電子設(shè)計(jì)工程師,在項(xiàng)目開(kāi)始之前,器件選型之初,就要做好充分考慮,選擇最適合自己需要的器件,才能保證項(xiàng)目的成功。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(huì)大有收獲。
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(huì)大有收獲。
1、功率MOSFET選型第一步: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(jì)的過(guò)程中選擇N管還是P管,要針對(duì)實(shí)際的應(yīng)用具體來(lái)選擇,N溝道MOSFET選擇的型號(hào)多,成本低;P溝道MOSFET選擇的型號(hào)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(dòng)、變壓器驅(qū)動(dòng)或自舉驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜;P溝道可以直接驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)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(tái)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(dòng),吸塵器、空氣凈化器、電風(fēng)扇等白家電的電機(jī)控制電路,這些系統(tǒng)使用全橋電路結(jié)構(gòu),每個(gè)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(kāi)關(guān)作用的二個(gè)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(dòng)的充電泵,使用P溝道可以直接驅(qū)動(dòng)。
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(jì)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(shí)候由于其他條件的限制,需要使用多個(gè)MOSFET并聯(lián)的方式來(lái)解決散熱的問(wèn)題,如在PFC應(yīng)用、電動(dòng)汽車電機(jī)控制器、通信系統(tǒng)的模塊電源次級(jí)同步整流等應(yīng)用中,都會(huì)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DFN5*6、DFN3*3的封裝;在有些ACDC的電源中,使用超薄設(shè)計(jì)或由于外殼的限制,裝配時(shí)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(jì)直接將器件管腳折彎平放,這種設(shè)計(jì)生產(chǎn)工序會(huì)變復(fù)雜。
在大容量的鋰電池保護(hù)板的設(shè)計(jì)中,由于尺寸限制極為苛刻,現(xiàn)在大多使用芯片級(jí)的CSP封裝,盡可能的提高散熱性能,同時(shí)保證最小的尺寸。
(3)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(qiáng),但在生產(chǎn)過(guò)程中,需要加絕緣墜,生產(chǎn)工藝復(fù)雜成本高,而全塑封裝熱阻大,散熱能力弱,但生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)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(shí)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(kāi)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(dòng)化程度高,總體成本仍然可以控制在合理的范圍。在臺(tái)式機(jī)主板、板卡等一些對(duì)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(shí),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、選取耐壓BVDSS
在大多數(shù)情況下,似乎選取功率MOSFET的耐壓對(duì)于很多工程師來(lái)說(shuō)是最容易的一件事情,因?yàn)樵O(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)輸入電壓是相對(duì)固定的,公司選取特定的供應(yīng)商的一些料號(hào),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(jī)充電器中,輸入為90~265V的交流,初級(jí)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(cè)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(shí)際的應(yīng)用中要結(jié)合這些因素綜合考慮。
很多資料和文獻(xiàn)中經(jīng)常提到:如果系統(tǒng)中功率MOSFET的VDS的最高尖峰電壓如果大于BVDSS,即便這個(gè)尖峰脈沖電壓的持續(xù)只有幾個(gè)或幾十個(gè)ns,功率MOSFET也會(huì)進(jìn)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(dǎo)體公司功率MOSFET的雪崩能量在生產(chǎn)線上是全檢的、100%檢測(cè),也就是在數(shù)據(jù)中這是一個(gè)可以保證的測(cè)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(shí)間通常都是μs、甚至ms級(jí),那么持續(xù)只有幾個(gè)或幾十個(gè)ns、遠(yuǎn)低于雪崩電壓的尖峰脈沖電壓是不會(huì)對(duì)功率MOSFET產(chǎn)生損壞的。
為什么在實(shí)際的設(shè)計(jì)中,要求在最極端的情況下,功率MOSFET的最大VDS電壓必須低于BVDSS、同時(shí)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(shí)候的可靠性。
任何電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì),實(shí)際的參數(shù)都會(huì)有一定的變化范圍,有時(shí)候很難保證多個(gè)極端的情況碰到一起,從而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生問(wèn)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(huì)產(chǎn)生一些難以想象的問(wèn)題,降額以及設(shè)計(jì)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(wèn)題。
4、由驅(qū)動(dòng)電壓選取VTH
不同電子系統(tǒng)的功率MOSFET選取的驅(qū)動(dòng)電壓并不相同,AC/DC電源通常使用12V的驅(qū)動(dòng)電壓,筆記本的主板DC/DC變換器使用5V的驅(qū)動(dòng)電壓,因此要根據(jù)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)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(cè)試條件,在不同的條件下具有不同的值,VTH具有負(fù)溫度系數(shù)。不同的驅(qū)動(dòng)電壓VGS對(duì)應(yīng)著不同的導(dǎo)通電阻,在實(shí)際的應(yīng)用中要考慮溫度的變化,既要保證功率MOSFET完全開(kāi)通,同時(shí)又要保證在關(guān)斷的過(guò)程中耦合在G極上的尖峰脈沖不會(huì)發(fā)生誤觸發(fā)產(chǎn)生直通或短路。
5、選取導(dǎo)通電阻RDSON,注意:不是電流
很多時(shí)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(kù)中現(xiàn)有的元件,對(duì)于RDSON的真正的選取方法并沒(méi)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(huì)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(huì)改用RDSON小一些的元件,或通過(guò)優(yōu)化外部的驅(qū)動(dòng)電路,改進(jìn)散熱的方式等來(lái)進(jìn)行調(diào)整。
如果是一個(gè)全新的項(xiàng)目,沒(méi)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(gè)方法給大家:功耗分配法。
當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)電源系統(tǒng)的時(shí)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(dòng)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(jì)算系統(tǒng)的最大損耗。
(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(dòng)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(jì)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(gè)MOSFET的功率損耗。
(3)將MOSFET的功率損耗,按一定的比例分配給開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗,不確定的話,平均分配開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。
(4)由MOSFET導(dǎo)通損耗和流過(guò)的有效值電流,計(jì)算最大允許的導(dǎo)通電阻,這個(gè)電阻是MOSFET在最高工作結(jié)溫的RDSON。
數(shù)據(jù)表中功率MOSFET的RDSON標(biāo)注有確定的測(cè)試條件,在不同的定義的條件下具有不同的值,測(cè)試的溫度為:TJ=25℃,RDSON具有正溫度系數(shù),因此根據(jù)MOSFET最高的工作結(jié)溫和RDSON溫度系數(shù),由上述RDSON計(jì)算值,得到25℃溫度下對(duì)應(yīng)的RDSON。
(5)由25℃的RDSON來(lái)選取型號(hào)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(guò)以上步驟,就初步選定功率MOSFET的型號(hào)和RDSON參數(shù)。
很多資料和文獻(xiàn)中,經(jīng)常計(jì)算系統(tǒng)的最大電流,然后進(jìn)行降額,由功率MOSFET數(shù)據(jù)表的電流值來(lái)選取器件,這種方法是不對(duì)的。
功率MOSFET的電流是一個(gè)計(jì)算值,而且是基于TC=25℃,也沒(méi)有考慮開(kāi)關(guān)損耗,因此這種方法和實(shí)際的應(yīng)用差距太大,沒(méi)有參考價(jià)值。在一些有大電流沖擊要求有短路保護(hù)的應(yīng)用中,會(huì)校核數(shù)據(jù)表中的最大漏極脈沖電流值及其持續(xù)時(shí)間,這個(gè)和選取RDSON沒(méi)有直接的關(guān)系。
6、選取開(kāi)關(guān)特性:Crss、Coss、Ciss;Qg、Qgd、Qoss
功率MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗,開(kāi)關(guān)損耗主要和這些開(kāi)關(guān)特性參數(shù)有關(guān)。QG影響驅(qū)動(dòng)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(dòng)IC中。QG越大,驅(qū)動(dòng)損耗越大。
基于RDSON選取了功率MOSFET的型號(hào)后,這些開(kāi)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(jì)算開(kāi)關(guān)損耗。
7、熱設(shè)計(jì)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(jì)算其導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗,由總的功率損耗和工作的環(huán)境溫度計(jì)算MOSFET的最高結(jié)溫,校核其是否在設(shè)計(jì)的范圍。所有條件基于最惡劣的條件,然后由計(jì)算的結(jié)果做相應(yīng)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(hào)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(hào),再次校核總的功率損耗,上述過(guò)程通常要配合第5、6步,經(jīng)過(guò)幾次的反復(fù)校驗(yàn),最后確定與設(shè)計(jì)相匹配的型號(hào),直到滿足設(shè)計(jì)的要求。
有時(shí)候由于產(chǎn)品型號(hào)的限制找不到參數(shù)合適的產(chǎn)品,可以采用以下的方法:
(1)使用多管并聯(lián)的方式,來(lái)解決散熱和溫升的問(wèn)題。
(2)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(shí)候,也要保證其他元件的溫升滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
(3)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(cuò)結(jié)構(gòu),采用LLC或其他軟開(kāi)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(fù)的問(wèn)題,最簡(jiǎn)單的方法就是采用內(nèi)部帶快恢復(fù)二極管的功率MOSFET,如果內(nèi)部不帶快恢復(fù)二極管,就要考慮內(nèi)部寄生二極管的反向恢復(fù)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(dòng)、短路中,系統(tǒng)進(jìn)入容性模式、若二極管反向恢復(fù)性能較差,容易產(chǎn)生上下管直通而損壞的問(wèn)題。如果控制器具有容性模式保護(hù)功能,就不用考慮這個(gè)因素。
9、雪崩能量及UIS、dv/dt
雪崩能量及測(cè)試的條件參考下面的文章,有非常詳細(xì)的詳明。除了反激和一些電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用,大多結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生這種單純的電壓箝位的雪崩,很多應(yīng)用情況下,二極管反向恢復(fù)過(guò)程中dv/dt、過(guò)溫以及大電流的綜合作用產(chǎn)生動(dòng)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(fù)載開(kāi)關(guān)和熱插撥工作在線性區(qū)的問(wèn)題、SOA特性,和EMI相關(guān)的參數(shù)等。
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