MOSFET器件选型的3大法则

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对于电子设计工程师,在项目开始之前,器件选型之初,就要做好充分考虑,选择最适合自己需要的器件,才能保证项目的成功。

功率MOSFET恐怕是工程师们最常用的器件之一了,但你知道吗?关于MOSFET的器件选型要考虑方方面面的因素,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,下面这篇文章总结了MOSFET器件选型的10步法则,相信看完你会大有收获。

 

1、功率MOSFET选型第一步:P管,还是N管?

功率MOSFET有两种类型:N沟道和P沟道,在系统设计的过程中选择N管还是P管,要针对实际的应用具体来选择,N沟道MOSFET选择的型号多,成本低;P沟道MOSFET选择的型号较少,成本高。

如果功率MOSFET的S极连接端的电压不是系统的参考地,N沟道就需要浮地供电电源驱动、变压器驱动或自举驱动,驱动电路复杂;P沟道可以直接驱动,驱动简单。

 

需要考虑N沟道和P沟道的应用主要有:

(1)笔记本电脑、台式机和服务器等使用的给CPU和系统散热的风扇,打印机进纸系统电机驱动,吸尘器、空气净化器、电风扇等家电的电机控制电路,这些系统使用全桥电路结构,每个桥臂上管可以使用P管,也可以使用N管。

(2)通信系统48V输入系统的热插拨MOSFET放在高端,可以使用P管,也可以使用N管。

(3)笔记本电脑输入回路串联的、起防反接和负载开关作用的二个背靠背的功率MOSFET,使用N沟道需要控制芯片内部集成驱动的充电泵,使用P沟道可以直接驱动。

罗姆 ROHM MOSFET

2、选取封装类型

功率MOSFET的沟道类型确定后,第二步就要确定封装,封装选取原则有:

(1)温升和热设计是选取封装最基本的要求

不同的封装尺寸具有不同的热阻和耗散功率,除了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MOSFET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MOSFET。

有时候由于其他条件的限制,需要使用多个MOSFET并联的方式来解决散热的问题,如在PFC应用、电动汽车电机控制器、通信系统的模块电源次级同步整流等应用中,都会选取多管并联的方式。

如果不能采用多管并联,除了选取性能更优异的功率MOSFET,另外可以采用更大尺寸的封装或新型封装,例如在一些AC/DC电源中将TO220改成TO247封装;在一些通信系统的电源中,采用DFN8*8的新型封装。

 

(2)系统的尺寸限制

有些电子系统受制于PCB的尺寸和内部的高度,如通信系统的模块电源由于高度的限制通常采用DFN5*6、DFN3*3的封装;在有些ACDC的电源中,使用超薄设计或由于外壳的限制,装配时TO220封装的功率MOSFET管脚直接插到根部,高度的限制不能使用TO247的封装。

有些超薄设计直接将器件管脚折弯平放,这种设计生产工序会变复杂。

在大容量的锂电池保护板的设计中,由于尺寸限制极为苛刻,现在大多使用芯片级的CSP封装,尽可能的提高散热性能,同时保证最小的尺寸。

 

(3)成本控制

早期很多电子系统使用插件封装,这几年由于人工成本增加,很多公司开始改用贴片封装,虽然贴片的焊接成本比插件高,但是贴片焊接的自动化程度高,总体成本仍然可以控制在合理的范围。在台式机主板、板卡等一些对成本极其敏感的应用中,通常采用DPAK封装的功率MOSFET,因为这种封装的成本低。

因此在选择功率MOSFET的封装时,要结合自己公司的风格和产品的特点,综合考虑上面因素。

3、选取导通电阻RDSON,注意:不是电流

很多时候工程师关心RDSON,是因为RDSON和导通损耗直接相关,RDSON越小,功率MOSFET的导通损耗越小、效率越高、温升越低。

同样的,工程师尽可能沿用以前项目中或物料库中现有的元件,对于RDSON的真正的选取方法并没有太多的考虑。当选用的功率MOSFET的温升太低,出于成本的考虑,会改用RDSON大一些的元件;当功率MOSFET的温升太高、系统的效率偏低,就会改用RDSON小一些的元件,或通过优化外部的驱动电路,改进散热的方式等来进行调整。

如果是一个全新的项目,没有以前的项目可循,那么如何选取功率MOSFET的RDSON?这里介绍一个方法给大家:功耗分配法。

当设计一个电源系统的时候,已知条件有:输入电压范围、输出电压/输出电流、效率、工作频率、驱动电压,当然还有其他的技术指标和功率MOSFET相关的主要是这些参数。步骤如下:

(1)根据输入电压范围、输出电压/输出电流、效率,计算系统的最大损耗。

(2)功率回路的杂散损耗,非功率回路元件的静态损耗,IC的静态损耗以及驱动损耗,做大致的估算,经验值可以占总损耗的10%~15%。

如果功率回路有电流取样电阻,计算电流取样电阻的功耗。总损耗减去上面的这些损耗,剩下部分就是功率器件、变压器或电感的功率损耗。

将剩下的功率损耗按一定的比例分配到功率器件和变压器或电感中,不确定的话,按元件数目平均分配,这样就得到每个MOSFET的功率损耗。

(3)将MOSFET的功率损耗,按一定的比例分配给开关损耗和导通损耗,不确定的话,平均分配开关损耗和导通损耗。

(4)由MOSFET导通损耗和流过的有效值电流,计算最大允许的导通电阻,这个电阻是MOSFET在最高工作结温的RDSON。

数据表中功率MOSFET的RDSON标注有确定的测试条件,在不同的定义的条件下具有不同的值,测试的温度为:TJ=25℃,RDSON具有正温度系数,因此根据MOSFET最高的工作结温和RDSON温度系数,由上述RDSON计算值,得到25℃温度下对应的RDSON。

(5)由25℃的RDSON来选取型号合适的功率MOSFET,根据MOSFET的RDSON实际参数,向下或向上修整。

通过以上步骤,就初步选定功率MOSFET的型号和RDSON参数。

 

更多详情请查看:MOSFET

 

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