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谈谈能满足开关电源要求的功率MOSFET

近年来,电源的输出电压越来越低、输出电流越来越大(某些电源系统输出几十安培到上百安培)。因此,电源设计中采用开关电源控制器、加上多个驱动器及功率 MOSFET组成的多相开关电源能满足这种要求。若采用多相控制器与功率MOSFET组成的结构,应用十分灵活,可以根据输出电流的大小合理选择开关管及同步整流管,并且可获得很好的转模效率及低的纹波电压。

为减少在工作频率高时的开关管损耗,要求开关管的栅极电容小、导通电阻小;并且要求输出漏极电流大,不少功率MOSFET厂家纷纷开发出各种低Qg、低RDS(on)及大ID的专用开关电源MOSFET。本文介绍Infineon公司在2007年7月推出的为开关电源设计的N沟道高开关速度功率MOSFET。它的型号是BSCO16NO3LSG。它的产品摘要为:VDS=30V、RDS(on)=1.6mΩ、ID=100A。

主要特点及有关参数

1. 可采用TTL逻辑电压控制;

2. 在TTL逻辑高电压时,其导通电阻RDS(on)很小。如VGS=5V时,RDS(on)=1.7mΩ;VGS=4.5V时,RDS(on)=1.8 mΩ;VGS=4V时,RDS(on)=2mΩ;并且ID在0~50A范围内变化,RDS(on)不变,如图1所示;

图1 BSCO16NO3LSG的典型漏-源导通电阻

栅极电荷Qg×RDS(on)的乘积小,有利于工作于高频率时减小损耗及具有良好的开关特性;

3. 热阻RJC低,RJC=1℃/W;并且在40mm×40mm×1.5mm单层敷铜板(环氧树脂PCB),其铜层面积为6cm2(铜层厚70μM),PCB垂直在静止空气中的热阻RJA=50℃/W。这说明在一定工作条件下,功率MOSFET所需的冷却散热的PCB面积不大,可以减少PCB面积;

图2 BSCO16NO3LSG的封装背面有较大面积散热垫

5. 在足够大的散热面积条件下,VGS=4.5V,该器件散热垫的温度TC在25℃~100℃范围,其最大的连续ID可达100A。如果在其散热敷铜层面积为6cm2的条件下(RJA=50℃/W),VGS=10V、TA环境温度=25℃,其最大连续ID为32A。如果要求连续ID大于32A,可增加散热面积或采用双层敷铜层的PCB。

6. 该MOSFET的最大功耗在TC=25℃时,Ptot=125W。这与散热条件有关。如果在TA=25℃,RJA=50℃/W的条件下(即散热面积仅6cm2层敷铜层)时,其最大允许功耗仅2.5W。如果要增加最大允许功耗时可增加散热面积或采用双层铜层的PCB;

7. 该MOSFET的输出特性如图3所示,转移特性如图4所示。

图3 输出特性

图4 转移特性

满足同步整流的工作安全

在同步整流的电路中,它由高端MOSFET(HS)及低端MOSFET(LS)组成,如图5所示。HS及LS由驱动器驱动,在正常工作时:HS导通时,LS截止;HS截止时,LS导通。为防止HS没有关断、LS开始导通的情况发生,在HS截止时有个死区时间后LS才导通。

图5 同步整流电路

由于MOSFET管内存在极间电容Cgd及Cgs,在HS开始导通时,有电流Icgd流经Cgd、经过Rgate+Rdrive后到地而产生一个△VGS、△VGS=(Rgate+Rdrive)×Icgd,如果△VGS大于LS的VGS(th),则可能使LS导通,即产生HS及LS都导通的情况,这将使MOSFET造成损坏。若LS中的Cgd和Cgs的比值Cgd/Cgs≤1时,这种HS及LS同时导通的事故可避免。BSCO16NO3LSG在工艺上可做到Cgd/Cgs≈0.48的最佳比值,使同步整流的工作很安全(资料中给出Qgd典型值为10nC,Qgs典型值为21nC,其比值为0.476)。

引脚排列

该MOSFET采用散热良好、热阻RJC小的PG—TDSON—8封装,其引脚排列如图6所示。为保证良好散热,在印制板设计时,4个漏极并联引脚D的焊盘与其背面散热垫的焊接面连接在一起,3个源极并联的焊盘尺寸也尽量的大,有利于散热。一种印制板图形设计如图7所示。

图6 引脚排列

图7 一种印制板图形设计

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