标题:
功率MOSFET的应用问题分析(1)
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作者:
掘金小分队
时间:
2016-9-27 10:20
标题:
功率MOSFET的应用问题分析(1)
近些年来,作者走访过很多客户,结识了大量的在一线从事电源设计和开发的工程师,在和他们的交流过程中,也遇到过许多技术的问题,然后大家一些分析这些问题产生的原因,并找到相应的解决方法。在这个过程中,我遇到过困惑迷茫,也体验过成功喜悦,并和许多工程师成有为朋友,他们是我人生路的最坚实的快乐和财富,他们一直鼓励我,将遇到的许多经验分享出来,现在整理一些功率
MOSFET
典型的应用问题,希望对广大的电子工程师有所帮助。
问题
1
:
在
MOSFET
的应用中,主要考虑的是哪些参数?在负载开关的应用中,
MOSFET
导通时间的计算,多少为佳?
PCB
的设计,铜箔面积开多大会比较好?
D
极、
S
极的铜箔面积大小是否需要一样?有公式可以计算吗?
回复
:
MOSFET
主要参数包括:耐压
BVDSS
,
Rdson
,
Crss
,还有
VGS(th),Ciss, Coss
;同步
BUCK
变换器的下管,半桥和全桥电路,以及有些隔离变换器副边同步整流
MOSFET
中,还要考虑内部二极管反向恢复等参数,要结合具体的应用。
下面的波形为感性负载功率
MOSFET
开通的过程,
Rg
为
MOSFET
内部栅极电阻,
Ron
为
MOSFET
的栅极和驱动电源
VCC
之间的串联大电阻的和:,包括栅极外部串联的电阻以及
PWM
驱动器的上拉电阻。
VGS(th)
和
VGP
在
MOSFET
的数据表中可以查到,有些数据表中没有标出
VGP
,可以通过计算得到平台的电压值。
产生开通损耗的时间段为
t2
和
t3
,
t1
时间段不产生开通损耗,但产生延时。
在负载开关的应用中,要保证在
t3
时间后,输出电容充电基本完成,就是电容的电压基本等于输入电压,在这个过程中,控制平台的电压
VGP
,就相当于控制了最大的浪涌电流,浪涌电流就不会对系统产生影响。因此导通时间要多长,由输出的电容和负载的大小决定。
具体的计算步骤是:设定最大的浪涌电流
Ipk
,最大的输出电容
Co
和上电过程中输出负载
Io
。如果是输出电压稳定后,输出才加负载,则取:
Io=0
。
由上式可以算出输出电容充电时间
t
。负载开关的应用,通常在
D
和
G
极并联外部电容,因此,
t3
时间远大于
t2
,
t2
可以忽略,因此可以得到:
t=t3
,由公式可以求出
D
和
G
极并联外部电容值。
然后由上面的值,对电路进行实际的测试,以满足设计的要求。负载开关的稳态功耗并不大,但是瞬态的功耗很大,特别是长时间工作在线性区,会产生热失效问题。因此,
PCB
的设计,特别是贴片的
MOSFET
,要注意充分敷设铜皮进行散热。
在
MOSFET
的数据表中,热阻的测量是元件装在
1
平方英
2OZ
铜皮的电路板上。
Drain
的铜皮铺在整个
1
平方英寸、
2OZ
铜皮的电路板。实际应用中,
Drain
的铜皮不可能用
1
平方英、
2OZ
铜皮的电路板,因此,只有尽可能的用大的铜皮,来保证热性能。具体的降额值可能值可以参见以下的图。
如果是多面板,最好
D
和
S
极对应铜皮位置的每个层都敷设铜皮,用多个过孔连接,孔的尺寸约为
0.3mm
。
SO8
标准热阻:
RθJA=90C/W
,
RθJC=12C/W
。
SO8
铜皮封装热阻:
RθJA=50C/W
,
RθJC=2.5C/W
。
问题
2
:
功率
MOSFET
的
Qgs
,
Qgd
,
Ciss
,
Crss
,
Coss
,
tr
和
tf
的关系?
回复:
如下图,在一定的测试条件下,
Qgs
与
Ciss
相关,
Qgd
与
Crss
相关,
Qg
与
Crss
,
Ciss
都相关,驱动的电压决定其最终的电荷值。
Qgs
和
Qgd
都是基于相关的电容的计算值。
tr
和
tf
如下图,对于上升和下降的延时,和
Crss
,
Ciss
都相关。注意此时的测量条件是阻性负载。如果是感性负载,电感电流不能突变,那么由于电感的续流,这个时间就和负载的特性相关了。
上升延时
tr
:上升延时的定义是在
MOSFET
的开通过程中,
VGS
的电压上升,从其
10%
值开始,到
VDS
下降到为
10%VDS
值为止。在开通的过程中,
VGS
上升米勒电容平台前的时间由
Ciss
决定,米勒电容平台的时间
Crss
由决定,过了米勒电容平台到
VDS
下降到为
10%VDS
的时间又由
Ciss
决定。下降延时
tf
和
tr
定义类似。
文章来源:微信公众号 融创芯城(一站式电子元器件、PCB、PCBA购买服务平台,项目众包平台)
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