德州儀器：如何選擇MOSFET - 熱插拔

北京2018年8月3日電 /美通社/ -- 本文將探討如何選擇用于熱插拔的MOSFET（金氧半場效晶體管）。

當(dāng)電源與其負(fù)載突然斷開時，電路寄生電感元件上的大電流擺動會產(chǎn)生巨大的尖峰電壓，對電路上的電子元件造成十分不利的影響。與電池保護(hù)應(yīng)用類似，此處MOSFET可以將輸入電源與其他電路隔離開來。但此時，F(xiàn)ET的作用并不是立即斷開輸入與輸出之間的連接，而是減輕那些具有破壞力的浪涌電流帶來的嚴(yán)重后果。這需要通過一個控制器來調(diào)節(jié)輸入電壓（V_IN）和輸出電壓（V_OUT）之間MOSFET上的柵源偏壓，使MOSFET處于飽和狀態(tài)，從而阻止可能通過的電流（見圖1）。

圖1：簡化的熱插拔電路

首先要為FET考慮的是選擇合適的擊穿電壓，一般為較大輸入電壓的1.5到2倍。例如，12V系統(tǒng)通常為25V或30V FET，而48V系統(tǒng)通常為100V或在某些情況下達(dá)到150V FET。下一個考慮因素應(yīng)該是MOSFET的安全工作區(qū)（SOA），如數(shù)據(jù)表中的一條曲線。它特別有助于指示MOSFET在短時功率浪涌期間是如何影響熱擊穿的，這與在熱插拔應(yīng)用中必須吸收的情況并無二致。由于安全操作區(qū)域（SOA）是進(jìn)行適當(dāng)選擇重要的標(biāo)準(zhǔn)，請參照了解MOSFET數(shù)據(jù)表-SOA圖，該文詳細(xì)介紹TI如何進(jìn)行測量，然后生成設(shè)備數(shù)據(jù)表中顯示的MOSFET的SOA。

對于設(shè)計(jì)師而言，關(guān)鍵的問題是FET可能會經(jīng)受的較大浪涌電流（或預(yù)計(jì)會限制到輸出）是多大，以及這種浪涌會持續(xù)多久。了解了這些信息，就可以相對簡單地在設(shè)備數(shù)據(jù)表的SOA圖上查找相應(yīng)的電流和電壓差。
例如，如果設(shè)計(jì)輸入電壓為48V，并且希望在8ms內(nèi)限制輸出電流不超過2A，設(shè)計(jì)師可以參考CSD19532KTT、CSD19535KTT和CSD19536KTT SOA的10ms曲線（圖2），并推斷出后兩種設(shè)備可能行得通，而CSD19532KTT則不行。由于CSD19535KTT已經(jīng)擁有足夠余量，對此種應(yīng)用來說，更昂貴的CSD19536KTT可能提供過高的性能。

圖2：三種不同100V D2PAK MOSFET的SOA

假定環(huán)境溫度為25?C，與在數(shù)據(jù)表上測量SOA的情況相同。由于最終應(yīng)用可能暴露于更熱的環(huán)境中，所以必須按照環(huán)境溫度與FET較大結(jié)溫之比，按比例為SOA降額。例如，最終系統(tǒng)的較高環(huán)境溫度是70?C，可以使用公式1為SOA曲線降額：

SOA曲線降額

在這種情況下，CSD19535KTT的10ms，48V能力將從~2.5A降至~1.8A。由此推斷出特定的FET可能不再適合該應(yīng)用，從而設(shè)計(jì)師應(yīng)該改選CSD19536KTT。

值得注意的是，這種降額方法假設(shè)MOSFET恰好在較大結(jié)溫下發(fā)生故障，雖然通常不會如此。假設(shè)在SOA測試中測得的失效點(diǎn)實(shí)際上發(fā)生在200?C或其他任意較高溫度下，計(jì)算的降額將更接近統(tǒng)一。也就是說，這種降額方法的計(jì)算不是保守的算法。

SOA還將決定MOSFET封裝類型。D2PAK封裝可以容納大型硅芯片，所以它們在更高功率的應(yīng)用中非常流行。較小的5mm×6mm和3.3mm×3.3mm四方扁平無引線（QFN）封裝更適合低功率應(yīng)用。為抵御小于5 - 10A的浪涌電流，F(xiàn)ET通常與控制器集成在一起。

以下是幾個注意點(diǎn)：

當(dāng)針對熱插拔應(yīng)用時，對于FET在飽和區(qū)工作的任何情況，設(shè)計(jì)師都可以使用相同的SOA選擇過程，甚至可以為OR-ing應(yīng)用、以太網(wǎng)供電（PoE）以及低速開關(guān)應(yīng)用（如電機(jī)控制）使用相同的FET選擇方法，在MOSFET關(guān)斷期間，會出現(xiàn)相當(dāng)高的V_DS和I_DS的重疊。

熱插拔是一種傾向于使用表面貼裝FET的應(yīng)用，而不是通孔FET（如TO-220或I-PAK封裝）。原因在于短脈沖持續(xù)時間和熱擊穿事件發(fā)生的加熱非常有限。換句話說，從硅結(jié)到外殼的電容熱阻元件可以防止熱量快速散失到電路板或散熱片中以冷卻結(jié)點(diǎn)。芯片尺寸的函數(shù) - 結(jié)到外殼的熱阻抗（R_θJC）很重要，但封裝、電路板和系統(tǒng)散熱環(huán)境的函數(shù) - 結(jié)到環(huán)境熱阻抗（R_θJA）要小得多。出于同樣的原因，很難看到散熱片用于這些應(yīng)用。

設(shè)計(jì)人員經(jīng)常假定目錄中較低電阻的MOSFET將具有較強(qiáng)的SOA。這背后的邏輯是 - 在相同的硅片生產(chǎn)中較低的電阻通常表明封裝內(nèi)部有較大的硅芯片，這確實(shí)產(chǎn)生了更好的SOA性能和更低的結(jié)至外殼熱阻抗。然而，隨著硅片的更新迭代提高了單位面積電阻（RSP），硅片也傾向于增加電池密度。硅芯片內(nèi)部的單元結(jié)構(gòu)越密集，芯片越容易發(fā)生熱擊穿。這就是為什么具有更高電阻的舊一代FET有時也具有更好SOA性能的原因?？傊?，調(diào)查和比較SOA是非常有必要的。

請?jiān)赥I官網(wǎng)了解更多各種熱插拔控制器的信息。本文末尾的表1-3重點(diǎn)介紹了用于熱插拔的一些設(shè)備，它們?yōu)镾OA功能提供了部分參考值。

更多信息請查閱MOSFET選項(xiàng)博客系列。

表1：用于12V熱插拔的MOSFET

表2：用于24V熱插拔的MOSFET

表3：用于48V熱插拔的MOSFET

作者：德州儀器Brett Barr