满足开关电源要求的功率MOSFET

近年来，电源的输出电压越来越低、输出电流越来越大（某些电源系统输出几十安培到上百安培）。因此，电源设计中采用开关电源控制器、加上多个驱动器及功率 MOSFET组成的多相开关电源能满足这种要求。若采用多相控制器与功率MOSFET组成的结构，应用十分灵活，可以根据输出电流的大小合理选择开关管及同步整流管，并且可获得很好的转模效率及低的纹波电压。

为减少在工作频率高时的开关管损耗，要求开关管的栅极电容小、导通电阻小；并且要求输出漏极电流大，不少功率MOSFET厂家纷纷开发出各种低Q_g、低R_DS(on)及大ID的专用开关电源MOSFET。本文介绍Infineon公司在2007年7月推出的为开关电源设计的N沟道高开关速度功率MOSFET。它的型号是BSCO16NO3LSG。它的产品摘要为：V_DS=30V、R_DS(on)=1.6mΩ、I_D=100A。

主要特点及有关参数

BSCO16NO3LSG的主要特点及有关参数：

1. 可采用TTL逻辑电压控制；

2. 在TTL逻辑高电压时，其导通电阻R_DS(on)很小。如V_GS=5V时，R_DS(on)=1.7mΩ；V_GS=4.5V时，R_DS(on)=1.8 mΩ；V_GS=4V时，R_DS(on)=2mΩ；并且I_D在0～50A范围内变化，R_DS(on)不变，如图1所示；

图1 BSCO16NO3LSG的典型漏-源导通电阻

栅极电荷Q_g×R_DS(on)的乘积小，有利于工作于高频率时减小损耗及具有良好的开关特性；

3. 热阻R_JC低，R_JC=1℃/W；并且在40mm×40mm×1.5mm单层敷铜板（环氧树脂PCB），其铜层面积为6cm2（铜层厚70μM），PCB垂直在静止空气中的热阻R_JA=50℃/W。这说明在一定工作条件下，功率MOSFET所需的冷却散热的PCB面积不大，可以减少PCB面积；

4. 小尺寸PG—TDSON—8封装（一种封装背面有较大面积散热垫的结构），其尺寸为：6mm×5mm×1mm。其背面形状如图2所示；

图2 BSCO16NO3LSG的封装背面有较大面积散热垫

5. 在足够大的散热面积条件下，V_GS=4.5V，该器件散热垫的温度T_C在25℃～100℃范围，其最大的连续I_D可达100A。如果在其散热敷铜层面积为6cm²的条件下(R_JA=50℃/W),V_GS=10V、T_A环境温度=25℃，其最大连续I_D为32A。如果要求连续ID大于32A，可增加散热面积或采用双层敷铜层的PCB。

漏极电流I_D与MOSFET散热垫的温度T_C的关系表明：在V_GS≥10V时，即使T_C=120℃，也可保证I_D=100A，脉冲漏极电流可达400A；

6. 该MOSFET的最大功耗在T_C=25℃时，P_tot=125W。这与散热条件有关。如果在T_A=25℃，R_JA=50℃/W的条件下（即散热面积仅6cm2层敷铜层）时，其最大允许功耗仅2.5W。如果要增加最大允许功耗时可增加散热面积或采用双层铜层的PCB；

7. 该MOSFET的输出特性如图3所示，转移特性如图4所示。

图3 输出特性

图4 转移特性

满足同步整流的工作安全

在同步整流的电路中，它由高端MOSFET（HS）及低端MOSFET（LS）组成，如图5所示。HS及LS由驱动器驱动，在正常工作时：HS导通时，LS截止；HS截止时，LS导通。为防止HS没有关断、LS开始导通的情况发生，在HS截止时有个死区时间后LS才导通。

图5 同步整流电路

由于MOSFET管内存在极间电容C_gd及C_gs，在HS开始导通时，有电流I_cgd流经C_gd、经过R_gate+R_drive后到地而产生一个△V_GS、△V_GS=(R_gate+R_drive)×I_cgd，如果△V_GS大于LS的V_{GS（th），}则可能使LS导通，即产生HS及LS都导通的情况，这将使MOSFET造成损坏。若LS中的C_gd和C_gs的比值C_gd/C_gs≤1时，这种HS及LS同时导通的事故可避免。BSCO16NO3LSG在工艺上可做到Cgd/C_gs≈0.48的最佳比值，使同步整流的工作很安全（资料中给出Q_gd典型值为10nC，Q_gs典型值为21nC，其比值为0.476）。

引脚排列

该MOSFET采用散热良好、热阻RJC小的PG—TDSON—8封装，其引脚排列如图6所示。为保证良好散热，在印制板设计时，4个漏极并联引脚D的焊盘与其背面散热垫的焊接面连接在一起，3个源极并联的焊盘尺寸也尽量的大，有利于散热。一种印制板图形设计如图7所示。

图6 引脚排列

图7 一种印制板图形设计