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  • MOS管熱阻,輸入輸出電容,開關時間解析
    • 發布時間:2023-04-18 17:31:13
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    MOS管熱阻,輸入輸出電容,開關時間解析
    打開一個MOS管的SPEC,會有很多電氣參數,本文分析一下熱阻、電容和開關時間。
    熱阻,英文Thermal resistance,指的是當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。
    結到空氣環境的熱阻用ThetaJA表示,ThetaJA = (Tj-Ta)/P
    其中Tj為芯片結溫,Ta為芯片環境溫度,如下圖所示。
    MOS管 熱阻 電容 開關時間
    還有一些其他的熱阻參數如下:
    ThetaJC=(Tj-Tc)/P,結到封裝外殼的熱阻,一般而言是到封裝頂部的熱阻,所以一般的,ThetaJC=ThetaJT
    ThetaJB=(Tj-Tb)/P,結到PCB的熱阻。
    ThetaJA參數綜合了Die的大小, 封裝方式,填充材料,封裝材料,引腳設計,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設計有關。ThetaJC和ThetaJB這2個參數是表征芯片和封裝本身的,不會隨著芯片封裝外部環境的改變而改變。
    熱阻和以下幾個參數比較緊密相關。
    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:結溫,結面溫度,指的是NMOS最高結溫不能超過150℃。
    MOS管 熱阻 電容 開關時間
    Thermal resistance:如下的833℃/W指的是NMOS結面相對于環境溫度的熱阻是833℃/W,假如器件消耗的功率是1W,那溫升就是833℃。
    MOS管 熱阻 電容 開關時間
    當NMOS工作在最大功率150mW,那NMOS結到空氣的溫度就是:150/1000*833≈125℃,芯片結溫就是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電容并聯而成,即Ciss=Cgs+Cgd,當輸入電容充電至閾值電壓,MOS管才打開,放電至一定的值,MOS管才關閉,所以Ciss和MOS管的開啟關閉時間有很大的關系。
    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管關閉下,Cgs要比Cgd大得多,Cgd=1.7pF,那Cgs=7.1-1.7=5.4pF。
    MOS管 熱阻 電容 開關時間
    從SPEC給的圖看,3個電容的大小和DS電壓有很大關系,尤其是Coss和Crss
    MOS管 熱阻 電容 開關時間
    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,所需要的充電電荷數越少,MOS管開關速度就越快。
    MOS管 熱阻 電容 開關時間
    MOS管關閉下,Cgs要比Cgd大的多,但是發現Qgd比Qgs大得多,這是受到米勒電容的影響。
    結合一下圖片理解MOS管的開關時間。
    MOS管 熱阻 電容 開關時間
    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管是關閉狀態,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UGS上升到閾值電壓后,隨著UGS再繼續增大,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。
    MOS管 熱阻 電容 開關時間
    那為什么要了解MOS管的電容和開關時間呢?當MOS管用在對開關速度有要求的電路中,可能會因為MOS管的開關時間過慢,導致通信失敗。
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