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MOS管封装中存在的能效限制及解除方法

来源:华强电子网 作者:华仔 浏览:1358

标签:

摘要: MOS管是半导体场效应管的简称。和MOS管相关的,大多数是与封装有关的问题。在一些条件相同的条件下,目前主流的几种封装其实是存在着一定的限制的。那么这些限制都有哪些,由如何寻找出突破呢? 目前几种主流的封装中存在着如下几种限制: 封装电感 内部焊线框架内的漏极、源极和栅极连接处会产生寄生电感。而源漏极电感将会以共源电感形式出现在电路中,将会影响MOSFET的开关速度。 封装电阻 MOSFET在导通

MOS管是半导体场效应管的简称。和MOS管相关的,大多数是与封装有关的问题。在一些条件相同的条件下,目前主流的几种封装其实是存在着一定的限制的。那么这些限制都有哪些,由如何寻找出突破呢? 目前几种主流的封装中存在着如下几种限制: 封装电感 内部焊线框架内的漏极、源极和栅极连接处会产生寄生电感。而源漏极电感将会以共源电感形式出现在电路中,将会影响MOSFET的开关速度。 封装电阻 MOSFET在导通时电阻即Rdson,这个电阻主要包括芯片内电阻和封装电阻。其中焊线等引入的封装电阻会因焊线数量的不同而有很大不同。 PN结到PCB的热阻 源极的热传导路径:芯片>焊线>外部引脚>PCB板,较长的热传导路径必然引起高热阻,且焊线较细较长,封装热阻会更高。 PN结到外壳的热阻 例如,标准的SO-8器件是塑封材料完全包封,由于塑料是热的不良导体,芯片到封装外壳的热传导很差。 改善的必要性 下面我们用例子说明一下改善这几方面的必要性。 1-1
微处理器供电为例子,这是一个较为典型的BUCK同步整流的例子。简单分析可知。现时CPU的工作频率已经由MHz级转向GHz 级,工作电压为1.3V 左右。要求到供电电源上到MHz级电磁干扰在可控范围,输出电流0A~50A(考虑到笔记本电脑或平板电脑从“睡眠”到“大运算工作”,正常工作电流10A~20A)。其典型输入电压为7.5V 到21V,电路中控制和续流用的功率器件普遍采用30V 的MOSFET。如图1所示。 此类电源系统的总体能效一般会要求在95%以上。 如何提高总体能效? 要提高总体能效,我们要先对损耗产生机理进行分析。在此BUCK 同步整流电路中存在着多种功率损耗,这里主要考虑的损耗为开关管(Q1)和续流管(SR 同步整流管、Q2)的损耗。 从SR-BUCK 电路的工作原理可知: Q1开通时,Q1存在着导通损耗、驱动损耗; Q1关断时,有输出电容带来的损耗; 而Q2在工作区间除了导通损耗、驱动损耗、开关损耗、还有体内二极管损耗问题。 借IR的实验图方便分析: 2-1
其中:Td 续流电流流向体二极管时间段; Tramp Vds因漏极电感产生正向压降; Tq 积聚Coss与Qrr电荷时间段; 我们把这些损耗分为三部分,它们和电路、器件的相关性如下: 导通损耗 与MOSFET的 Rdson相关。这容易理解,且随着输出电流的提高,Rdson损耗也会相应地增加; 与体二极管的正向电压Vsd相关。死区时间时,续流电流不得不从MOSFET沟道转而流向体二极管,并由此产生额外的体二极管损耗。体二极管的导通时间很短,仅为50ns至100 ns左右,因而,这损耗经常忽略不计。但是,当输出电压和体二极管Vsd相近时,这损耗就不能忽略了。 栅极驱动损耗 取决于MOSFET的Qg。这也容易理解,MOSFET开启时,必须对栅极进行充电,栅极积聚总电荷量为Qg后MOSFET饱和导通。MOSFET关断时,则必须将栅极中的电荷放电至源极,这就意味着Qg将消散在栅极电阻和栅极驱动器中。 Qg与Rdson非线形反比。即并联多个MOSFET降低Rdson 而降低导通损耗时,因Qg增大令驱动损耗会相应增大。 Coss损耗 与MOSFET的输出电容Coss相关。 Q2关断时,必须将输出电容充电至线电压,因此,在关断过程中产生的感应电量直接取决于MOSFET的Coss,且这些电量通过寄生电感、寄生电阻释放时将触发LC振荡,并会由此对Q2的Vds产生电压尖峰。 与MOSFET的反向恢复电荷Qrr有关 MOSFET关断时,必须将Qrr移走,这部分电量会加入到上面的LC振荡里。对一些专门为同步整流这方面设计的MOSFET器件来说,Qrr可以忽略不计,因为其对总功耗的影响微乎其微。 按上面的分类,容易看出,当输出电流小时,导通损耗相对小;输出电流大,导通损耗也相对大。而开关损耗(驱动损耗+输出电容损耗)变化不大。(想一下,笔记本电脑从“睡眠”到“正常工作”,工作电流范围:0A~20A。) 而三种损耗相对变化的幅度比例,我们再借IR的实测图例来说明。 3-1
可看出,在轻负载条件下,导通损耗占总功耗的比例极低。在这种情况下,在整个负载范围内基本保持不变的开关损耗是主要损耗。但是,当输出电流较高时,导通损耗则成为最主要的损耗,其占总功耗的比例也最高。 因此,要优化SR MOSFET的效率,必须找到开关损耗与导通损耗之间的最佳平衡点。 4-1
如图4所示。当Rdson超出最优值时,总功耗将随Rdson的提高而线性增加。但当Rdson降至低于最优值时,总功耗也会因输出电容的快速增加而急剧上升。如图在1毫欧以下时,Rdson仅下降0.5毫欧姆,便会令总功耗提高一倍,从而严重降低电源转换器的效率。 说到这里,我们回过头,看看上面说到的焊线式封装在封装电阻和封装电感两方面的局限。
型号 厂商 价格
EPCOS 爱普科斯 /
STM32F103RCT6 ST ¥461.23
STM32F103C8T6 ST ¥84
STM32F103VET6 ST ¥426.57
STM32F103RET6 ST ¥780.82
STM8S003F3P6 ST ¥10.62
STM32F103VCT6 ST ¥275.84
STM32F103CBT6 ST ¥130.66
STM32F030C8T6 ST ¥18.11
N76E003AT20 NUVOTON ¥9.67