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MOS管选型技巧

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发表于 2022-12-28 10:35 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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MOS管选型技巧 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。
% z/ ^6 C+ c, ` 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?- h# p* f& C0 O! ]/ r
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。
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) J/ ^  C7 c& H( T' h% e6 E2 p  MOS管的两种结构:N沟道型和P沟道型: b( G( n( U1 `2 |4 M/ P6 R' N' n
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。3 P( W# t0 ]" i7 b. B) F  X
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。
1 z) `5 L  s' C' R" z2 \8 W1 k4 u 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。& x9 q  K! i* ^$ s5 H6 R
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。! d% y/ S1 v5 B, }; ]- U
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。" V: K9 [  c; E+ w8 w0 A- l1 M
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。  Z7 i3 M( |0 P- ^4 J
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。' B. _: q$ M" ~& S9 @# {
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。
" n$ y3 C$ c6 K+ e 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。" j/ x5 o4 _1 P/ A
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。
3 ]8 O" \$ C8 c6 R 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。
! b, z8 ^8 A4 v: B; d7 s 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)。
3 j# T4 z" s9 R8 Z9 J" N 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。$ I8 i, g5 {' l  N$ @8 Q/ O
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。9 X7 U6 A( d& F! ~( b
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。) y: v5 x& ~) l
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。
) P$ ?9 K9 u5 \2 K$ v 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。
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增强型NMOS管构成的开关电路
( Q: K9 k4 V1 d/ A6 r0 w( D 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。
2 A1 n( V$ p! Q* ]8 j 常见的MOS管封装有:
" b4 B7 Y; i  M ①插入式封装:TO-3P、TO-247、TO-220、TO-220F、TO-251、TO-92;
9 u. e5 e/ N7 R- ~4 f+ r; ? ②表面贴装式:TO-263、TO-252、SOP-8、SOT-23、DFN5*6、DFN3*3;4 f, a; y0 F4 w% H
8 G9 O, S, J8 \9 v5 C; c
TO封装MOS管4 }" i% {1 k+ F3 V: L2 ?2 G1 V
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。
" M2 U5 \) d- q" k0 J2 o9 t" K! e 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。
3 w, b- Y7 Y' }) Y( ?$ x; u5 ^5 ~* l 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。
- ^: N* @% z, |) l+ a 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。
1 w. h. {6 K) c% N& ~ 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。6 P% _6 `7 j( w& g! Y
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。
$ P0 e9 W# L* |& m4 M# Z 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。
! P: K+ G9 A3 u$ G: |5 ^" q 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。9 w0 {3 N3 ^+ S  @9 A" T. ]" v
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。) |: _) t( }) @) z2 j( c
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。, l! M1 }" C7 d" o; @
欧美系代表企业:IR、ST、仙童、安森美、TI、PI、英飞凌等;) g, g- d) Y* g
日系代表企业:东芝、瑞萨、新电元等;
7 A0 h" K+ g  Q  y3 h 韩系代表企业:KEC、AUK、美格纳、森名浩、威士顿、信安、KIA等;
3 K, l  f3 c, t' ^ 台系代表企业:APEC、CET;/ l# _. i- m" Y
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。' l* B$ e2 Y6 ?+ d- r
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。
- B6 ]: k7 l7 u' k/ Q/ R& @ 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。; r" g5 `* E$ n& ?
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。3 D+ n! j' N; ]9 G$ G; p: \8 M
总结 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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该用户从未签到

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发表于 2022-12-28 13:36 | 只看该作者
寻找被广泛使用验证过的元器件,尽量少使用冷门,偏门芯片,减少开发风险。

该用户从未签到

3#
发表于 2022-12-28 13:52 | 只看该作者
型号,厂家料号包括尾缀,以及可替换的型号;
! G/ ^# m, m$ Y封装,使用环境和保存环境;
5 p# _. U/ O. x3 G1 ]2 F供货渠道(品牌,供应商);
, }. r/ e1 _( l4 Y" Q, T+ z价格,以及技术支持。
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