如何為我們的應(yīng)用選擇合適的功率 MOSFET 或功率模塊的封裝
1.前言
在開始新設(shè)計(jì)時(shí)，工程師常常被功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 ( MOSFET ) 和功率塊的封裝選項(xiàng)數(shù)量所淹沒。
例如，TI 提供采用 12 種獨(dú)特封裝的單 N 溝道 MOSFET。鑒于有無數(shù)的選項(xiàng)，我們如何知道為我們的應(yīng)用程序選擇哪個(gè)包？
選擇元件封裝時(shí)需要考慮許多因素，包括通孔與表面貼裝、尺寸、成本、引線間距和熱能力。在這篇技術(shù)文章中，我想重點(diǎn)討論封裝熱能力，并提供一些有關(guān) TI MOSFET 和功率模塊封裝功耗的經(jīng)驗(yàn)法則。希望這些規(guī)則對我們有所幫助，因?yàn)楣臎Q定了給定應(yīng)用中可能的最小封裝。
2.從查看數(shù)據(jù)表開始
所有功率 MOSFET 和功率塊數(shù)據(jù)表都在熱信息表中包含熱阻抗規(guī)格。圖 1 顯示了CSD17581Q5A的熱阻抗規(guī)格圖示。
正如上面所詳述的，數(shù)據(jù)表中的熱阻抗是使用標(biāo)準(zhǔn)測試程序和印刷電路板 (PCB) 布局確定的。圖 2 描述了用于測量 5 毫米 x 6 毫米小外形無引線 (SON) 封裝熱阻抗的標(biāo)準(zhǔn)測試板。TI 已經(jīng)為其他 TI MOSFET 封裝開發(fā)了類似的標(biāo)準(zhǔn)化測試板。
通常，實(shí)際應(yīng)用使用具有兩層或多層的 PCB、散熱孔和介于圖 2 所示之間的焊盤區(qū)域。這些努力導(dǎo)致低熱阻，允許熱量擴(kuò)散到內(nèi)部 PCB 層中使用最小電路板面積的空間優(yōu)化解決方案。
圖 2：CSD17581Q5A 數(shù)據(jù)表中顯示的5 毫米 x 6 毫米 SON 結(jié)到環(huán)境熱阻 (R θJA ) 測量值
最大功率耗散在功率 MOSFET/功率塊數(shù)據(jù)表的絕對最大額定值表（表 1）中指定。最大功耗是一個(gè)計(jì)算值，如本文中所示，實(shí)際上，它不是很有用，因?yàn)橛糜诖祟悳y試的標(biāo)準(zhǔn) PCB 與實(shí)際的實(shí)際應(yīng)用無關(guān)。從絕對最大額定值開始，但請記住，特定封裝的散熱能力在我們的應(yīng)用中可能更好或更差，取決于我們的 PCB 設(shè)計(jì)和環(huán)境條件。
T A = 25°C（除非另有說明）
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熱指標(biāo) |
我的最大類型 |
單元 |
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R θ JC結(jié)殼熱阻(1) |
1.5 |
℃ |
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R θ JA結(jié)到環(huán)境熱阻(1)(2) |
50 |
(1) R θJC由安裝在 1 英寸2 (6.45-cm 2 )、2-oz (0.071-mm) 厚的 Cu 焊盤上的器件確定，該焊盤位于 1.5-in × 1.5-in (3.81-cm × 3.81 -cm)，0.06 英寸（1.52 毫米）厚的 FR4 PCB。R θJC由設(shè)計(jì)規(guī)定，而R θJA由 用戶的電路板設(shè)計(jì)決定。
(2) 設(shè)備安裝在 FR4 材料上，具有 1 英寸2（6.45 厘米2）、2 盎司（0.071 毫米）厚的銅。
表 1：CSD17581Q5A熱阻抗規(guī)格
3.考慮設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)
幸運(yùn)的是，已有使用 MOSFET 封裝的現(xiàn)有設(shè)計(jì)可以讓我們了解每個(gè)封裝在實(shí)際條件下的散熱能力。結(jié)合測試期間收集的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們應(yīng)該對特定功率 MOSFET 封裝中可以耗散的功率量有一些指導(dǎo)。表 1 至 5 總結(jié)了按產(chǎn)品類別和封裝類型估算的最大功耗。
請記住，下表中的功耗數(shù)字只是估計(jì)值。由于有效的結(jié)到環(huán)境熱阻很大程度上取決于 PCB 設(shè)計(jì)，因此我們的實(shí)際性能可能會(huì)有所不同；換句話說，我們的特定設(shè)計(jì)可能會(huì)比此處介紹的更多或更少功耗。使用這些指南可以幫助縮小設(shè)計(jì)中要考慮的封裝的范圍。
4.如何閱讀表格
讓我們考慮 5 毫米 x 6 毫米塑料 SON 封裝。TI 為其功率 MOSFET 和電源塊使用了此 SON 封裝的幾個(gè)版本。大多數(shù)供應(yīng)商的功率器件都有類似的封裝，并且存在大量關(guān)于它可以耗散多少功率的數(shù)據(jù)。TI 已在尺寸為 4 英寸寬、3.5 英寸長、0.062 英寸高和 1 盎司銅厚的六層銅層的 PCB 設(shè)計(jì)上測試了該封裝中的電源塊。根據(jù)測試結(jié)果，一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是 5 毫米 x 6 毫米 SON 封裝在布局良好的典型應(yīng)用中可以消耗大約 3 瓦的功率。
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產(chǎn)品類別=單N溝道MOSFET |
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包裝說明 |
封裝類型（圖紙） |
尺寸（毫米） |
典型 R θJA (°C/W) |
估計(jì) P DISS (W) |
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毫微微場效應(yīng)管? |
PicoStar? 封裝 (YJM) |
0.73 × 0.64 |
255 |
0.5 |
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毫微微場效應(yīng)管? |
PicoStar 包（YJC、YJJ） |
1.0 × 0.6 |
245 |
0.5 |
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毫微微場效應(yīng)管? |
PicoStar 套餐 (YJK) |
1.53 × 0.77 |
245 |
0.5 |
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晶圓級(jí)封裝（W、W10） |
DSBGA (YZB) |
1.0 × 1.0 |
275 |
0.4 |
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晶圓級(jí)封裝 (W1015) |
DSBGA (YZC) |
1.0 × 1.5 |
230 |
0.5 |
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2 毫米 x 2 毫米 SON (Q2) |
WSON (DQK) |
2.0 × 2.0 |
55 |
2.2 |
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引線鍵合 3mm×3mm SON (Q3A) |
VSONP (DNH) |
3.3 乘 3.3 |
48 |
2.5 |
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剪輯 3 毫米 x 3 毫米 SON (Q3) |
VSON-CLIP (DQG) |
3.3 乘 3.3 |
48 |
2.5 |
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引線鍵合 5 毫米 x 6 毫米 SON (Q5A) |
VSONP (DQJ) |
5.0 x 6.0 |
40 |
3.0 |
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夾子 5 毫米 x 6 毫米 SON (Q5B) |
VSON-CLIP (DNK) |
5.0 x 6.0 |
40 |
3.0 |
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夾子 5 毫米 x 6 毫米 SON (Q5) |
VSON-CLIP (DQH) |
5.0 x 6.0 |
40 |
3.0 |
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TO-220 (KCS) |
TO-220 |
不適用 |
24 |
5.0 |
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D2PAK (IMP) |
DDPAK/TO-263 |
不適用 |
30 |
4.0 |
表 2：按封裝估算的單個(gè) N 溝道 MOSFET 功耗
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產(chǎn)品類別=雙N溝道MOSFET |
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包裝說明 |
封裝類型（圖紙） |
尺寸（毫米） |
典型 R θJA (°C/W) |
估計(jì) P DISS (W) |
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LGA (L) |
PicoStar 包 (YME) |
1.35 乘 1.35 |
175 |
0.7 |
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LGA (L) |
PicoStar 套餐 (YJE) |
2.2 乘 1.15 |
150 |
0.8 |
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LGA (L) |
PicoStar 包 (YJG) |
3.37 乘 1.47 |
92.5 |
1.3 |
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晶圓級(jí)封裝 (W1723) |
DSBGA (YZG) |
1.7 乘 2.3 |
140 |
0.9 |
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2 毫米 x 2 毫米 SON (Q2) |
WSON (DQK) |
2.0 × 2.0 |
55 |
2.2 |
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3 毫米 x 3 毫米 SON (Q3E) |
VSON (DPA) |
3.3 乘 3.3 |
50 |
2.4 |
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S0-8 (ND) |
SOIC (D) |
5.0 x 6.0 |
60 |
2.0 |
表 3：按封裝估算的雙 N 溝道 MOSFET 功耗
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產(chǎn)品類別=單P溝道MOSFET |
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包裝說明 |
封裝類型（圖紙） |
尺寸（毫米） |
典型 R θJA (°C/W) |
估計(jì) P DISS (W) |
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毫微微場效應(yīng)管? |
PicoStar 套餐（YJM、YJN） |
0.73 × 0.64 |
255 |
0.5 |
|
毫微微場效應(yīng)管? |
PicoStar 包（YJC、YJJ） |
1.0 × 0.6 |
245 |
0.5 |
|
毫微微場效應(yīng)管? |
PicoStar 套餐 (YJK) |
1.53 × 0.77 |
245 |
0.5 |
|
LGA (L) |
PicoStar 套餐 (YMG) |
1.2 乘 1.2 |
225 |
0.5 |
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晶圓級(jí)封裝 (W10) |
DSBGA (YZB) |
1.0 × 1.0 |
275 |
0.4 |
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晶圓級(jí)封裝（W、W1015） |
DSBGA (YZC) |
1.0 × 1.5 |
230 |
0.5 |
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晶圓級(jí)封裝（W、W15） |
DSBGA (YZF) |
1.5 乘 1.5 |
220 |
0.5 |
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2 毫米 x 2 毫米 SON (Q2) |
WSON (DQK) |
2.0 × 2.0 |
55 |
2.2 |
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引線鍵合 3mm×3mm SON (Q3A) |
VSONP (DNH) |
3.3 乘 3.3 |
48 |
2.5 |
|
夾 3 毫米 x 3 毫米 SON (Q3) |
VSON-CLIP (DQG) |
3.3 乘 3.3 |
48 |
2.5 |
表 4：按封裝估算的單個(gè) P 溝道 MOSFET 功耗
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產(chǎn)品類別=雙P溝道MOSFET |
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包裝說明 |
封裝類型（圖紙） |
尺寸（毫米） |
典型 R θJA (°C/W) |
估計(jì) P DISS (W) |
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晶圓級(jí)封裝 (W1015) |
DSBGA (YZC) |
1.0 × 1.5 |
230 |
0.5 |
|
晶圓級(jí)封裝 (W15) |
DSBGA (YZF) |
1.5 乘 1.5 |
220 |
0.5 |
表 5：按封裝估算的雙 P 溝道 MOSFET 功耗
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產(chǎn)品類別=N通道電源模塊 |
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包裝說明 |
封裝類型（圖紙） |
尺寸（毫米） |
典型 R θJA (°C/W) |
估計(jì) P DISS (W) |
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LGA (P) |
PTAB (MPC) |
3.0 x 2.5 |
67 |
1.8 |
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LGA (N) |
PTAB (MPA) |
2.5 x 5.0 |
56 |
2.1 |
|
LGA (M) |
PTAB (MPB) |
5.0 x 3.5 |
50 |
2.4 |
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剪輯 3 毫米 x 3 毫米 SON (Q3D) |
LSON-CLIP (DQZ) |
3.3 乘 3.3 |
58 |
2.1 |
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夾子 5 毫米 x 6 毫米 SON (Q5D) |
LSON-CLIP (DQY) |
5.0 x 6.0 |
40 |
3.0 |
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DualCool? 5 毫米 x 6 毫米 SON (Q5DC) 封裝 |
VSON-CLIP (DMM) |
5.0 x 6.0 |
40 |
3.0 |
表 6：N 通道電源模塊按封裝估算的功耗
5.結(jié)論
我們可以使用本技術(shù)文章中提供的信息來指導(dǎo)我們選擇功率 MOSFET 和功率塊的封裝。始終檢查我們應(yīng)用中的 MOSFET 功率損耗是否不超過封裝能力。這些不是絕對限制，我們的應(yīng)用程序的性能將取決于操作和環(huán)境條件，以及 PCB 布局和堆疊。
當(dāng)然，在為設(shè)計(jì)選擇功率器件時(shí)，功耗并不是唯一的考慮因素。我們還必須考慮其他參數(shù)，例如額定電壓和電流、導(dǎo)通電阻、封裝尺寸和引線間距。
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