带你读懂MOS管参数「热阻、输入输出电容及开关时间」

本文详细解释了MOS管中的热阻概念,包括不同类型的热阻及其计算方法,并介绍了MOS管的输入电容、输出电容及反向传输电容等关键电容参数。此外还探讨了电容参数对MOS管开关时间的影响。

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转载-- 记得诚 2020-07-19 16:03

我们打开一个MOS管的SPEC,会有很多电气参数,今天说一说热阻、电容和开关时间这三个。

热阻,英文Thermal resistance,指的是当有热量在物体上传输时,在物体两端温度差与热源的功率之间的比值,单位是℃/W或者是K/W。

半导体散热的三个途径,封装顶部到空气,封装底部到电路板,封装引脚到电路板。

结到空气环境的热阻用ThetaJA表示,ThetaJA = (Tj-Ta)/P

其中Tj为芯片结温,Ta为芯片环境温度,如下图所示。

还有一些其他的热阻参数如下:

ThetaJC=(Tj-Tc)/P,结到封装外壳的热阻,一般而言是到封装顶部的热阻,所以一般的,ThetaJC=ThetaJT

ThetaJB=(Tj-Tb)/P,结到PCB的热阻。

ThetaJA参数综合了Die的大小, 封装方式,填充材料,封装材料,引脚设计,外部散热片和外部电路板的属性多个因素,综合来讲ThetaJA和用的器件以及PCB设计有关。ThetaJC和ThetaJB这2个参数是表征芯片和封装本身的,不会随着芯片封装外部环境的改变而改变。

热阻和以下几个参数比较紧密相关。

Power dissipation:功率损耗,指的是NMOS消耗功率不能超过150mW,否则可能损坏MOS管。

Junction temperature:结温,结面温度,指的是NMOS最高结温不能超过150℃。

Thermal resistance:如下的833℃/W指的是NMOS结面相对于环境温度的热阻是833℃/W,假如器件消耗的功率是1W,那温升就是833℃。

当NMOS工作在最大功率150mW,那NMOS结到空气的温度就是:150/1000*833≈125℃,芯片结温就是125+25=150℃。

再看一下MOS管的电容。

输入电容Ciss,指的是DS短接,用交流信号测得的GS之间的电容,Ciss由GS电容和GD电容并联而成,即Ciss=Cgs+Cgd,当输入电容充电至阈值电压,MOS管才打开,放电至一定的值,MOS管才关闭,所以Ciss和MOS管的开启关闭时间有很大的关系。

输出电容Coss,指的是GS短接,用交流信号测得的DS之间的电容,Coss由GD电容和DS电容并联而成,即Coss=Cgd+Cds

反向传输电容Crss,指的是S接地,GD之间的电容,即Crss=Cgd

MOS管关闭下,Cgs要比Cgd大得多,Cgd=1.7pF,那Cgs=7.1-1.7=5.4pF。

从SPEC给的图看,3个电容的大小和DS电压有很大关系,尤其是Coss和Crss

有的一些MOS管SPEC中还有如下的Qg、Qgs、Ggd,指的是充满这些电容所需要的电荷数,所需要的充电电荷数越少,MOS管开关速度就越快。

MOS管关闭下,Cgs要比Cgd大的多,但是发现Qgd比Qgs大得多,这是受到米勒电容的影响。

结合一下图片理解MOS管的开关时间。

最左边绿色部分,ID和UD几乎不变,因为这时候UGS没有上升到阈值电压,MOS管是关闭状态,把UGS从0增大到阈值电压前这段时间叫Turn-on delay time

紧接着紫色部分,当UGS上升到阈值电压后,随着UGS再继续增大,ID也逐渐增大,UD逐渐减小,直到ID到最大值,UD到最小值,这段时间叫Rise time

同理,MOS管在关闭时,UGS没有下降到阈值电压,ID和UD都是不变的,把UGS下降到阈值电压前这段时间叫Turn-off delay time

随着UGS逐渐减小,ID减小到最小值,UD增大到最大值,这段时间叫Fall time

那为什么要了解MOS管的电容和开关时间呢?当MOS管用在对开关速度有要求的电路中,可能会因为MOS管的开关时间过慢,导致通信失败。

今天的内容到这里就结束了,希望对你有帮助,我们下一期见。

—— The End ——

参考资源链接:[解析MOS管关键参数热阻电容开关时间](https://wenku.youkuaiyun.com/doc/644cd8c4ea0840391e5d88fa?utm_source=wenku_answer2doc_content) 要计算MOS管的开关时间并确保高功率应用中不会导致过热,首先需要深入理解热阻、输入电容、输出电容等关键参数如何影响MOS管的性能和稳定性。《解析MOS管关键参数热阻电容开关时间》一文提供了这些参数的详细介绍和计算方法,是理解和应用这些参数的理想资源。 热阻ThetaJA可以用来估计MOS管在给定功率损耗下的结温上升,它反映了热量从结到周围环境的传递效率。热阻的计算公式为: \[ \Delta T = P_{loss} \times \Theta_{JA} \] 其中,\( \Delta T \)是结温上升,\( P_{loss} \)是功率损耗,\( \Theta_{JA} \)是热阻。 输入电容Ciss和输出电容Coss对开关时间有直接影响。输入电容Ciss决定MOS管开启的速度,而输出电容Coss影响关闭速度。开关时间可以通过以下公式粗略估计: \[ t_{switch} \approx \frac{V_{gate}}{I_{gate}} \times (C_{iss} + C_{oss}) \] 其中,\( t_{switch} \)是开关时间,\( V_{gate} \)是门极电压,\( I_{gate} \)是门极电流,\( C_{iss} \)和\( C_{oss} \)分别是输入和输出电容。 为了确保在高功率应用中MOS管不会过热,工程师需要考虑使用适当的散热设计,例如散热片或热管,并确保电路板设计中的热通道优化,以最大化热传导效率。 结合这些理论知识和实际操作,你将能够评估MOS管在特定应用中的性能,并采取必要措施来保证设备在安全的工作条件下运行。为了进一步深化对MOS参数的理解和应用,建议详细阅读《解析MOS管关键参数热阻电容开关时间》一文,它将为你提供更多的细节和案例研究,帮助你在设计高效率和高性能的电子设备时做出更加明智的决策。 参考资源链接:[解析MOS管关键参数热阻电容开关时间](https://wenku.youkuaiyun.com/doc/644cd8c4ea0840391e5d88fa?utm_source=wenku_answer2doc_content)
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