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MOS規格書的選型及應用

硬件攻城獅 ? 來源:Arrow Solution ? 作者:Arrow Solution ? 2022-10-17 14:33 ? 次閱讀

我們這里當然不是說規格書在挖坑,規格書的數據都是用儀器一個個測出來的,是剛正不阿的存在!

規格書的數據測試是遵循特定的標準的,之所以遵循這些標準來測試,是因為作為一個規格書,必須規定一個測試標準,讓不同的人在不同的時候測出的數據是一樣的。而電源的設計對MOS的要求是五花八門的,所以,在參看MOSFET規格書的時候,要“透過現象看本質”,才能找到適合你產品需求的MOSFET。 那就讓我們一起來看看這些主要的參數吧。

BVDSS

這個參數太明顯了,明顯到你不想看它都能跳進你的眼里,因為它無論在電流命名的規則還是Ron命名的規則里都會出現在型號里。但是你知道它的測試條件嗎?首先看看艾睿代理的幾家MOSFET正規大廠家的規格書:

英飛凌

c7442384-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

ST

c7688e68-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

onsemi

c77340b0-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

看到了,BV值是在VGS=0的情況下,漏極流過250uA(或者其它比如1mA),MOSFET不發生雪崩的情況下測得的值。緊接著,在很多廠家的規格書可以看到這一項: c78ca83e-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 或者是后面看到這樣的曲線:(下圖曲線的BV是歸一化后的,即相對于25°C結溫的倍數) c79fc798-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 這說明,BV值是隨著結溫的升高而增加的,通常電路系統正常工作的時候,結溫肯定是大于25°C的,很多都在100°以上。所以實際BV值可能在標稱BV的1.1倍左右。 ?

ID

關于這個參數,我很想保持沉默,因為我覺得,規格書上的這個標稱參數,對于實際應用來說,幾乎沒有什么參考意義。

可能有的剛入行的小伙伴在選型的時候,會計算電路系統工作中的最大電流,然后做一定的降額,得到一個電流的ID值作為選型的參考。其實這個思路是不科學的。 首先,我們看看大廠商的規格書,關于ID的項目: c7c05d8c-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.pngc7d93e7e-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 看到標紅圈圈的地方了嗎? ? 1.?Tj=25°C,除非無特殊說明。如果這項測試需要MOS工作起來,那么Tj=25°C如何保證,并且隨著測試時間的延長,Tj會越來越高。實際電路系統中Tj也不可能是25°C。 2.?Tc=25°C,器件case溫度為25°C。實際的系統應用中,電路腔體內的溫度都不太可能是25°C,更何況器件CASE。 3. Limited by?Tjmax?這句話,通常用小一號字體在table的下面低調的標出。看到沒,真正有用的一句話,在角落里。 ? 所以,關于規格書中的標稱電流ID,看看就好了,別太認真。 ?

RDS(ON)

大家都知道MOSFET完全導通之后相當于一個電阻,它在工作中并非一成不變的量。例如,某廠家標稱為380mΩ的器件,在規格書的標稱值中如下標識:

c7fa4e0c-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 可見,380mΩ只是ID=3.2A,Tj=25°C時候的,實際在電路系統運行的時候,Tj會在100°C以上,后面的曲線中可以看到:隨著MOS的結溫升高,RDS(ON)也會增加,這也是它的正溫度系數特性。隨著ID的增加,RDS(ON)的值也會增加。所以在查看RDS(ON)的時候,應該考慮電流和結溫。 c8059b54-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 在系統應用中MOS的最大導通電流會被以下幾個因素決定: RDS(ON)升Tj-Tc熱阻Rthjc器件功耗PD 根據溫升公式: c8c5c776-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 其中器件功耗實際中主要考慮導通損耗和開關損耗(硬開關電路),但是此處為了計算方便,考慮導通損耗和開關損耗占比各50%: c8da130c-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 在規格書中可以找到,一般為150°C,CASE溫度可以根據系統設計需要確定。 ? RDS(ON)注意要使用Tjmax對應的電阻值,可以在規格書中查到。注意不同的封裝對應的熱阻不一樣,可以計算出漏極電流最大有效值: c8e006fe-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

但是注意,如果軟開關電路,可以少考慮一點開關損耗,計算出的ID可以稍微大一些,如果硬開關電路,且開關頻率比較高,則需要多考慮一些開關損耗。

Vth

很多人其實不太關注開啟電壓Vth的值,在規格書中一般看到:

英飛凌 c8f34962-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? ST c90979e4-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 同樣的,這個Vth是在Tj=25°C或者Tc=25°C時候測到的。但是,Vth是負溫度系數,也就是說隨著結溫的升高,Vth會下降,這就意味著,電路系統運行發熱后,Vth會降低,會更容易受到干擾而誤觸發。有的公司會給出Vth隨著結溫變化的曲線。見下圖: c9259e9e-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

開關時間(td(on),tr,td(off),tf

規格書中給出的這組數據在系統應用中可以說是最沒有什么參考意義的了,但是有一點,就是橫向對比的時候,可以粗略對比一下兩個MOS的開關速度。但是如果測試條件不同,也沒有什么意義。

首先,看下規格書中給出的測試開關時間的電路: c96889b6-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 撇開圖中紅色圈圈標出來的測試條件會明顯影響開關時間不說,說一下測試的電路。大部分廠家用的如下電路:

c997d5e0-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

這個電路中MOSFET的負載是阻性負載,見紅圈所示,MOSFET帶阻性負載的時候,其開關特性表現為ID上升和VDS下降在同時進行。 而在實際常用的電路系統中,如buck,boost,flayback等,MOSFET的負載都是感性的,見下圖: c9b602ea-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 而感性負載的開關過程是,開通過程中,ID先上升,然后VDS開始下降。關斷過程是VDS先上升,ID再下降。見下圖: c9ca8724-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 其中,米勒平臺的高度會受器件本身的跨導和漏極電流ID影響,米勒平臺的長度受結電容Cgd影響和VDS的大小影響。整個開關過程都會受到驅動電阻Rg(外部的和內部的)的影響。 ?

電容(Crss,Coss,Ciss)

這3個參數,有點常識的人都知道要看后面的曲線,不能看表格里面的數值,因為表格中的數值是某個VDS下的值,并沒有任何實用價值。

ca706a22-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 而后面的電容曲線會給出結電容隨著VDS的變化趨勢: ca7e14a6-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 但是這個曲線在真正使用的時候也不怎么好用,畢竟像LLC或者移相全橋這種軟開關電路中,需要知道的是VDS變化過程中結電容中存儲能量或者電荷的變化量,于是有的公司的規格書中給出了兩個參數:Co(tr) 和?Co(er)。 caa10e70-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? Co(er)— 能量等效電容,當VDS從0到480V (通常是80%的BVDSS)時候需要對電容儲存的能量相當的電容值。 Co(tr)— 電荷等效電容,當VDS從0到480V 時充電時間相當的等效電容值。 如果做軟開關,這兩個參數會比較有用。

雪崩能量VAR

雪崩的測試電路通常有兩種:

TESCE模式(下圖左邊,電感能量泄放經過VDD)和ITC模式(下圖右邊,電感能量泄放不經過VDD) cab310f2-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 雪崩測試波形為:(左邊為TESEC模式,右邊為ITC模式) cad17a88-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? TESCE模式的雪崩能量計算為: cae5cd44-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? ITC模式的雪崩能量計算為: cafa0818-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 所以可以看出雪崩能量的大小和電感L以及雪崩電流IAS都有關系。話不多說,看下各家的規格書的測試條件(以下比較都是標稱電流為10A,BVDSS為650V左右的超級結MOSFET): ? 廠家一: cb0bc332-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 廠家二: cb36ef26-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 廠家三: cb60bd1a-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.pngcb6bd326-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? 可見,不同廠家的雪崩能量不盡相同,但是它們之間可比性也不強,因為它們的測試條件不同。廠家二和廠家三只給出了電流值,只有廠家一給出了測試的電感值和電流值,但是廠家一的測試結果并沒有多出多少的參考意義,因為這個規格書給出的雪崩能量是僅僅是這個測試條件下的值,如果換個電感L,得到的雪崩能量并不等于表格中的值,換句話說就是,即便對于同一只MOS而言: cb87a4ca-4de2-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

所以規格書中的雪崩測試數據,實際應用的參考意義也不大。如果硬要橫向對比雪崩能力,相同規格的MOS在相同測試條件下的數據,是具備一定的比較意義的。

所以,規格書是我們選型及應用的一把雙刃劍,用好了就能幫我們披荊斬棘,用不好可能會讓我們走很多彎路,甚至選錯料,不要掉進規格書的“坑”,要學會利用好這把利器。

審核編輯:彭靜
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原文標題:MOSFET選型,別掉進規格書的“坑”

文章出處:【微信號:mcu168,微信公眾號:硬件攻城獅】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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