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技術(shù)突破:MOS管封裝能效限制解除法門

發(fā)布時間:2015-01-15 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】本篇文章主要對目前MOS封裝當(dāng)中存在的一些限制進(jìn)行了介紹,并提出了改善的必要性。在最后,還給出了提高總體能效的方法。希望大家在閱讀過本篇文章之后,能對MOS管的封裝有進(jìn)一步的了解。
 
MOS管是半導(dǎo)體場效應(yīng)管的簡稱。和MOS管相關(guān)的,大多數(shù)是與封裝有關(guān)的問題。在一些條件相同的條件下,目前主流的幾種封裝其實是存在著一定的限制的。那么這些限制都有哪些,由如何尋找出突破呢?
 
目前幾種主流的封裝中存在著如下幾種限制:
 
封裝電感
 
內(nèi)部焊線框架內(nèi)的漏極、源極和柵極連接處會產(chǎn)生寄生電感。而源漏極電感將會以共源電感形式出現(xiàn)在電路中,將會影響MOSFET的開關(guān)速度。
 
封裝電阻
 
MOSFET在導(dǎo)通時電阻即Rdson,這個電阻主要包括芯片內(nèi)電阻和封裝電阻。其中焊線等引入的封裝電阻會因焊線數(shù)量的不同而有很大不同。
 
PN結(jié)到PCB的熱阻
 
源極的熱傳導(dǎo)路徑:芯片>焊線>外部引腳>PCB板,較長的熱傳導(dǎo)路徑必然引起高熱阻,且焊線較細(xì)較長,封裝熱阻會更高。
 
PN結(jié)到外殼的熱阻
 
例如,標(biāo)準(zhǔn)的SO-8器件是塑封材料完全包封,由于塑料是熱的不良導(dǎo)體,芯片到封裝外殼的熱傳導(dǎo)很差。
 
改善的必要性
 
下面我們用例子說明一下改善這幾方面的必要性。
改善這幾方面的必要性
圖1
 
微處理器供電為例子,這是一個較為典型的BUCK同步整流的例子。簡單分析可知?,F(xiàn)時CPU的工作頻率已經(jīng)由MHz級轉(zhuǎn)向GHz 級,工作電壓為1.3V 左右。要求到供電電源上到MHz級電磁干擾在可控范圍,輸出電流0A~50A(考慮到筆記本電腦或平板電腦從“睡眠”到“大運算工作”,正常工作電流10A~20A)。其典型輸入電壓為7.5V 到21V,電路中控制和續(xù)流用的功率器件普遍采用30V 的MOSFET。如圖1所示。
 
此類電源系統(tǒng)的總體能效一般會要求在95%以上。
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如何提高總體能效?
 
要提高總體能效,我們要先對損耗產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析。在此BUCK 同步整流電路中存在著多種功率損耗,這里主要考慮的損耗為開關(guān)管(Q1)和續(xù)流管(SR 同步整流管、Q2)的損耗。
 
從SR-BUCK 電路的工作原理可知:
 
Q1開通時,Q1存在著導(dǎo)通損耗、驅(qū)動損耗;
 
Q1關(guān)斷時,有輸出電容帶來的損耗;
 
而Q2在工作區(qū)間除了導(dǎo)通損耗、驅(qū)動損耗、開關(guān)損耗、還有體內(nèi)二極管損耗問題。
 
借IR的實驗圖方便分析:
借IR的實驗圖方便分析
圖2
 
其中:Td 續(xù)流電流流向體二極管時間段;
 
Tramp Vds因漏極電感產(chǎn)生正向壓降;
 
Tq 積聚Coss與Qrr電荷時間段;
 
我們把這些損耗分為三部分,它們和電路、器件的相關(guān)性如下:
 
導(dǎo)通損耗
 
與MOSFET的 Rdson相關(guān)。這容易理解,且隨著輸出電流的提高,Rdson損耗也會相應(yīng)地增加;
 
與體二極管的正向電壓Vsd相關(guān)。死區(qū)時間時,續(xù)流電流不得不從MOSFET溝道轉(zhuǎn)而流向體二極管,并由此產(chǎn)生額外的體二極管損耗。體二極管的導(dǎo)通時間很短,僅為50ns至100 ns左右,因而,這損耗經(jīng)常忽略不計。但是,當(dāng)輸出電壓和體二極管Vsd相近時,這損耗就不能忽略了。
 
柵極驅(qū)動損耗
 
取決于MOSFET的Qg。這也容易理解,MOSFET開啟時,必須對柵極進(jìn)行充電,柵極積聚總電荷量為Qg后MOSFET飽和導(dǎo)通。MOSFET關(guān)斷時,則必須將柵極中的電荷放電至源極,這就意味著Qg將消散在柵極電阻和柵極驅(qū)動器中。
 
Qg與Rdson非線形反比。即并聯(lián)多個MOSFET降低Rdson 而降低導(dǎo)通損耗時,因Qg增大令驅(qū)動損耗會相應(yīng)增大。
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Coss損耗
 
與MOSFET的輸出電容Coss相關(guān)。
 
Q2關(guān)斷時,必須將輸出電容充電至線電壓,因此,在關(guān)斷過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電量直接取決于MOSFET的Coss,且這些電量通過寄生電感、寄生電阻釋放時將觸發(fā)LC振蕩,并會由此對Q2的Vds產(chǎn)生電壓尖峰。
 
與MOSFET的反向恢復(fù)電荷Qrr有關(guān)
 
MOSFET關(guān)斷時,必須將Qrr移走,這部分電量會加入到上面的LC振蕩里。對一些專門為同步整流這方面設(shè)計的MOSFET器件來說,Qrr可以忽略不計,因為其對總功耗的影響微乎其微。
 
按上面的分類,容易看出,當(dāng)輸出電流小時,導(dǎo)通損耗相對小;輸出電流大,導(dǎo)通損耗也相對大。而開關(guān)損耗(驅(qū)動損耗+輸出電容損耗)變化不大。(想一下,筆記本電腦從“睡眠”到“正常工作”,工作電流范圍:0A~20A。)
 
而三種損耗相對變化的幅度比例,我們再借IR的實測圖例來說明。
實測圖例
圖3
 
可看出,在輕負(fù)載條件下,導(dǎo)通損耗占總功耗的比例極低。在這種情況下,在整個負(fù)載范圍內(nèi)基本保持不變的開關(guān)損耗是主要損耗。但是,當(dāng)輸出電流較高時,導(dǎo)通損耗則成為最主要的損耗,其占總功耗的比例也最高。
 
因此,要優(yōu)化SR MOSFET的效率,必須找到開關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗之間的最佳平衡點。
優(yōu)化SR MOSFET的效率
圖4
 
如圖4所示。當(dāng)Rdson超出最優(yōu)值時,總功耗將隨Rdson的提高而線性增加。但當(dāng)Rdson降至低于最優(yōu)值時,總功耗也會因輸出電容的快速增加而急劇上升。如圖在1毫歐以下時,Rdson僅下降0.5毫歐姆,便會令總功耗提高一倍,從而嚴(yán)重降低電源轉(zhuǎn)換器的效率。
 
說到這里,我們回過頭,看看上面說到的焊線式封裝在封裝電阻和封裝電感兩方面的局限。
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封裝電阻的局限
 
以現(xiàn)在使用到的30V同步整流SR MOSFET,可達(dá)1~2毫歐姆的的導(dǎo)通電阻,而TO220的封裝電阻在1毫歐姆左右,這樣封裝電阻占總Rdson的比例高達(dá)50%以上。在耐壓高一些的MOSFET中(耐壓高,Rdson相對高),這個比例會相對低一些。但和無引腳的SMD封裝MOSFET比較,還是有一定差距的。看下面比較圖:
封裝電阻的局限
圖5
 
對同一工藝的MOS芯片,Rdson*Qg是相對固定值。選擇封裝電阻更低的封裝形式,在低Rdson下,追求更低的Qg,更低的Coss,提供更多的選擇。
 
封裝電感的局限
 
上面提到,SR MOSFET關(guān)斷時,Coss和Qrr的電荷通過寄生電感、寄生電阻釋放時將觸發(fā)LC振蕩,這樣會造成一個過沖高壓。因此需要盡量減少寄生電感。
封裝電感的局限
圖6
 
如TO220封裝的寄生電感為10nH左右,甚至更高。無引腳SMD封裝,得益于其無引腳設(shè)計以及所采用的銅帶或夾焊技術(shù),寄生電感可大大降低至0.2nH左右。以12V同步整流級為例,只要用低電感封裝來取代TO220封裝,就能將過沖電壓降低10V,參見圖6。
 
當(dāng)電壓應(yīng)力較小時,可以使用電壓值更低的MOSFET,以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的總體性能。上面說到的“無引腳SMD封裝”,現(xiàn)在市場上常見到的,如:DFN封裝(各廠家有不同命名)。
DFN封裝
DFN封裝,是在SO-8的基礎(chǔ)上,對焊線互連形式進(jìn)行改進(jìn),用金屬帶、或金屬夾板代替焊線,降低封裝電阻、封裝電感,并且改善了熱阻。DFN封裝的MOSFET,在低壓同步整流應(yīng)用上的優(yōu)勢是顯而易見的,各大半導(dǎo)體廠家都專門針對此封裝形式推出了不少器件產(chǎn)品。
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