打開一個MOS管的SPEC,會有很多電氣參數(shù),本文分析一下熱阻、電容和開關(guān)時間。
熱阻,英文Thermal resistance,指的是當(dāng)有熱量在物體上傳輸時,在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值,單位是℃/W或者是K/W。
半導(dǎo)體散熱的三個途徑,封裝頂部到空氣,封裝底部到電路板,封裝引腳到電路板。
結(jié)到空氣環(huán)境的熱阻用ThetaJA表示,ThetaJA = (Tj-Ta)/P
其中Tj為芯片結(jié)溫,Ta為芯片環(huán)境溫度,如下圖所示。
還有一些其他的熱阻參數(shù)如下:
ThetaJC=(Tj-Tc)/P,結(jié)到封裝外殼的熱阻,一般而言是到封裝頂部的熱阻,所以一般的,ThetaJC=ThetaJT
ThetaJB=(Tj-Tb)/P,結(jié)到PCB的熱阻。
ThetaJA參數(shù)綜合了Die的大小, 封裝方式,填充材料,封裝材料,引腳設(shè)計,外部散熱片和外部電路板的屬性多個因素,綜合來講ThetaJA和用的器件以及PCB設(shè)計有關(guān)。ThetaJC和ThetaJB這2個參數(shù)是表征芯片和封裝本身的,不會隨著芯片封裝外部環(huán)境的改變而改變。
熱阻和以下幾個參數(shù)比較緊密相關(guān)。
Power dissipation:功率損耗,指的是NMOS消耗功率不能超過150mW,否則可能損壞MOS管。
Junction temperature:結(jié)溫,結(jié)面溫度,指的是NMOS最高結(jié)溫不能超過150℃。
Thermal resistance:如下的833℃/W指的是NMOS結(jié)面相對于環(huán)境溫度的熱阻是833℃/W,假如器件消耗的功率是1W,那溫升就是833℃。
當(dāng)NMOS工作在最大功率150mW,那NMOS結(jié)到空氣的溫度就是:150/1000*833≈125℃,芯片結(jié)溫就是125+25=150℃。
再看一下MOS管的電容。
輸入電容Ciss,指的是DS短接,用交流信號測得的GS之間的電容,Ciss由GS電容和GD電容并聯(lián)而成,即Ciss=Cgs+Cgd,當(dāng)輸入電容充電至閾值電壓,MOS管才打開,放電至一定的值,MOS管才關(guān)閉,所以Ciss和MOS管的開啟關(guān)閉時間有很大的關(guān)系。
輸出電容Coss,指的是GS短接,用交流信號測得的DS之間的電容,Coss由GD電容和DS電容并聯(lián)而成,即Coss=Cgd+Cds
反向傳輸電容Crss,指的是S接地,GD之間的電容,即Crss=Cgd
MOS管關(guān)閉下,Cgs要比Cgd大得多,Cgd=1.7pF,那Cgs=7.1-1.7=5.4pF。
從SPEC給的圖看,3個電容的大小和DS電壓有很大關(guān)系,尤其是Coss和Crss
有的一些MOS管SPEC中還有如下的Qg、Qgs、Ggd,指的是充滿這些電容所需要的電荷數(shù),所需要的充電電荷數(shù)越少,MOS管開關(guān)速度就越快。
MOS管關(guān)閉下,Cgs要比Cgd大的多,但是發(fā)現(xiàn)Qgd比Qgs大得多,這是受到米勒電容的影響。
結(jié)合一下圖片理解MOS管的開關(guān)時間。
最左邊綠色部分,ID和UD幾乎不變,因為這時候UGS沒有上升到閾值電壓,MOS管是關(guān)閉狀態(tài),把UGS從0增大到閾值電壓前這段時間叫Turn-on delay time。
緊接著紫色部分,當(dāng)UGS上升到閾值電壓后,隨著UGS再繼續(xù)增大,ID也逐漸增大,UD逐漸減小,直到ID到最大值,UD到最小值,這段時間叫Rise time。
同理,MOS管在關(guān)閉時,UGS沒有下降到閾值電壓,ID和UD都是不變的,把UGS下降到閾值電壓前這段時間叫Turn-off delay time。
隨著UGS逐漸減小,ID減小到最小值,UD增大到最大值,這段時間叫Fall time。
那為什么要了解MOS管的電容和開關(guān)時間呢?當(dāng)MOS管用在對開關(guān)速度有要求的電路中,可能會因為MOS管的開關(guān)時間過慢,導(dǎo)致通信失敗。
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