高效低功耗MOSFET在BMS中的應(yīng)用
高效低功耗MOSFET在BMS中的應(yīng)用
一、產(chǎn)品概述
CMSC1653是一款采用場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體先進(jìn)溝槽工藝制造的N溝道型MOSFET產(chǎn)品，其最大特點(diǎn)是擁有卓越的優(yōu)值系數(shù)（FOM）。截至發(fā)稿時(shí)，該產(chǎn)品已經(jīng)包括在電源轉(zhuǎn)換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、LED照明、美容醫(yī)療等領(lǐng)域的十多個(gè)不同類方案中超過(guò)百萬(wàn)顆物料的市場(chǎng)應(yīng)用情況，所應(yīng)用適配的產(chǎn)品，均表現(xiàn)出了高度的穩(wěn)定性與可靠性。
1.CMSC1653產(chǎn)品規(guī)格書部分信息
二、產(chǎn)品技術(shù)亮點(diǎn)
1.關(guān)鍵特性：
? 低導(dǎo)通電阻（RDS(on)max=7.7mΩ,Vgs=10V）：減少導(dǎo)通功耗，提高效率。
? 高開(kāi)關(guān)速度：適用于高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用。
? 相對(duì)高電流處理能力：支持大電流應(yīng)用。
? 低柵極電荷（Qg）：Qg=8NC,減少驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)損耗。
2.性能優(yōu)勢(shì)：
? 高溫穩(wěn)定性：結(jié)溫高達(dá)150℃，適合車規(guī)級(jí)及高溫環(huán)境應(yīng)用。
? 小封裝：采用DFN-3.3*3.3小型封裝，節(jié)省了PCB空間。
三、典型應(yīng)用場(chǎng)景
1．電源管理：
? 開(kāi)關(guān)電源DC-DC模塊的輸出端是直接作用在負(fù)載上的，需要低導(dǎo)通內(nèi)阻和高頻率開(kāi)關(guān)特性的MOSFET,來(lái)提升電能轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)能量最大化利用。
2．電機(jī)驅(qū)動(dòng)：
? 電機(jī)控制電路最長(zhǎng)用的拓?fù)浞桨甘前霕蚝腿珮蝌?qū)動(dòng)，橋型組合控制最大的特點(diǎn)就是相位切換、正反切換絲滑，而不能引起高溫，并且電機(jī)屬于感性負(fù)載，存在高反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，要求控制器件具有高電流能力和低熱阻特性。
3．LED照明：
? LED燈照明驅(qū)動(dòng)通用型方案一般是同步整流，同步整流是采用通態(tài)電阻極低的MOSFET，來(lái)取代整流二極管以降低整流過(guò)程中導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗的技術(shù)。高效的開(kāi)關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同LED燈的精確控制能力。
4．BMS：BMS-Battery Management System電池管理系統(tǒng)是對(duì)鋰電池進(jìn)行過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流和短路保護(hù)。鋰電池保護(hù)板的原理主要是通過(guò)專門的集成保護(hù)板來(lái)監(jiān)控和管理電池的狀態(tài)。其通過(guò)監(jiān)測(cè)電池的電壓和電流，并在必要時(shí)切斷電路，以防止電池?fù)p壞。
5．其他應(yīng)用：
? 如逆變器、無(wú)線充電等。
四、設(shè)計(jì)指南
MOSFET屬于電壓控制性元件，是通過(guò)柵極電壓控制漏-源極間的電流，柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)對(duì)于電路的穩(wěn)定性至關(guān)重要。
1.產(chǎn)品介紹
CMSC1653最大閾值電壓VGS(th)=2.5V,要使MOSFET導(dǎo)通，柵極驅(qū)動(dòng)電壓（VGS）設(shè)計(jì)不能小于該值，若要求達(dá)到MOSFET完全導(dǎo)通,理想情況則是柵極驅(qū)動(dòng)電壓VGS>4.5V（該值來(lái)源于CMSC1653 MOSFET導(dǎo)通內(nèi)阻與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系圖，如下圖所示）
在此有必要提醒讀者朋友，不要在MOSFET上提供使用過(guò)大的驅(qū)動(dòng)電壓即就是在考慮熱阻特性時(shí)并不是驅(qū)動(dòng)電壓越大越好（不考慮MOSFET雪崩工作態(tài)），應(yīng)該是在保證MOSFET飽和導(dǎo)通情況下，只要應(yīng)用的失真性能不惡化，就應(yīng)該為MOSFET提供較低的電壓，如±5V而非±10 V。
MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路原理通常是由控制邏輯芯片串聯(lián)MOSFET實(shí)現(xiàn)邏輯控制。MOSFET邏輯控制過(guò)程必須遵循穩(wěn)定且可靠原則。實(shí)際電路應(yīng)用環(huán)境中由于PCBA布線、MOSFET內(nèi)部鍵合布線以及整體電路EMC的存在等等因素，使得柵極驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)異常尖峰，這些異常尖峰對(duì)MOSFET的驅(qū)動(dòng)控制帶來(lái)極大的不穩(wěn)定性和工作狀態(tài)的不確定性，主要表現(xiàn)有：
? 工作時(shí)散熱特點(diǎn)發(fā)生變化；
? 使MOSFET較長(zhǎng)期工作在雪崩狀態(tài)；
? 尖峰的耦合對(duì)電路關(guān)鍵性元器件造成沖擊甚至不可逆的損壞；
因此有必要反復(fù)推敲驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，對(duì)于簡(jiǎn)單設(shè)備及簡(jiǎn)單電路，驅(qū)動(dòng)電路一般建議設(shè)計(jì)是增加串聯(lián)柵極保護(hù)電阻Rg；對(duì)于較高端設(shè)備則會(huì)將驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的相對(duì)復(fù)雜一些，如大功率逆變電源中，為了提高M(jìn)OSFET柵極驅(qū)動(dòng)能力，通常需要額外增加‘圖騰柱’和‘門電路’的方式實(shí)現(xiàn)MOSFET驅(qū)動(dòng)控制。
總的來(lái)說(shuō)，邏輯芯片與MOSFET之間的串聯(lián)電路，既能減少振蕩，又能對(duì)芯片起到保護(hù)的作用。
2.散熱設(shè)計(jì)
PCBA電路板中一般的散熱方案設(shè)計(jì)有如增加散熱片、PCB銅箔、PCBA過(guò)孔以及外加散熱風(fēng)扇等設(shè)計(jì)）。
? 布局建議：提供PCB布局優(yōu)化建議（如減少寄生電感、優(yōu)化布線）。
? 保護(hù)電路：在電路中添加過(guò)壓保護(hù)（如RDC尖峰吸收電路、RC濾波電路）、過(guò)流保護(hù)、提高反向阻斷特性（如增加超快恢復(fù)二極管）、ESD保護(hù)電路和浪涌保護(hù)等等電路。
3.熱阻計(jì)算
熱阻（thermal resistance）是一個(gè)和熱有關(guān)的性質(zhì)，是指在有溫度差的情形下，物體抵抗傳熱的能力，單位是℃/W，意為單位功率下的溫升。幾乎所有的半導(dǎo)體器件數(shù)據(jù)手冊(cè)都會(huì)給出RθJA與RθJC參數(shù)。
? RθJA — Junction-to-Ambient thermal resistance
如圖所示，指芯片內(nèi)部的PN結(jié)在靜止空氣條件下對(duì)外部環(huán)境的熱阻 (此外部環(huán)境在測(cè)試中不受器件自身發(fā)熱影響，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)影響，所以RθJA只用來(lái)粗略估算，可以只能用來(lái)快速估算結(jié)溫。）
? RθJC(top) — Junction-to-Case(top) thermal resistance
如圖所示，指芯片內(nèi)部的PN結(jié)到外殼封裝上表面的熱阻，測(cè)試時(shí)其他方向不散熱，只有上表面散熱。
? RθJC(buttom) — Junction-to-Case(top) thermal resistance
如圖所示，指芯片內(nèi)部的PN結(jié)到外殼封裝下表面的熱阻，測(cè)試時(shí)其他方向不散熱，只有下表面散熱。
? RθJB— Junction-to-PCB thermal resistance
如圖所示，指芯片內(nèi)部的PN結(jié)到PCB(并非封裝底部，而是電路板)的熱阻，測(cè)試時(shí)其他方向不散熱，這意味著PCB必須是器件散熱的主要途徑。
下表為小編總結(jié)的不同熱阻值原理計(jì)算公式
五、常見(jiàn)問(wèn)題解答（FAQ）
Q1：如何選擇合適的MOSFET？
A：根據(jù)電壓、電流、開(kāi)關(guān)頻率和封裝需求選擇。
Q2：如何優(yōu)化MOSFET的開(kāi)關(guān)性能？
A：合理設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電路，選擇低柵極電荷（Qg）的MOSFET。
Q3：MOSFET發(fā)熱嚴(yán)重怎么辦？
A：優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)，降低導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)損耗。
六、技術(shù)支持與資源
如需詳細(xì)的產(chǎn)品手冊(cè)及相關(guān)技術(shù)支持，請(qǐng)注冊(cè)登錄場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體官網(wǎng)m.turkeyworld.net自主下載查閱或聯(lián)系人工客服索取。
七、總結(jié)
CMSC1653具有低導(dǎo)通電阻、高開(kāi)關(guān)速度和超高性價(jià)比等核心優(yōu)勢(shì)成為電源轉(zhuǎn)換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、LED照明、美容醫(yī)療以及鋰電池保護(hù)板鄰域不可替代的產(chǎn)品。通過(guò)大量的多種類產(chǎn)品驗(yàn)證，CMSC1653 MOSFET具有寬泛的兼容性和較高的穩(wěn)定性，為設(shè)備安全可靠的運(yùn)行保駕護(hù)航。
