如何選擇合適的MOSFET作為電子開關(guān)

1.前言

MOSFET 被用作負(fù)載開關(guān)的次數(shù)比它們在任何其他應(yīng)用中的使用量都要多，其數(shù)量一次達(dá)到數(shù)億。我可能應(yīng)該從我在這里如何定義“負(fù)載開關(guān)”開始。為了這篇文章，考慮負(fù)載開關(guān)任何小信號 FET，其在系統(tǒng)中的唯一功能是將一些低電流 (<1A) 信號傳遞（或阻止）到另一個板組件。電池保護(hù) MOSFET 具有非常相似的功能，但代表了負(fù)載開關(guān)應(yīng)用的一個獨(dú)特子集，也可以承載更高的電流。

我們的應(yīng)用團(tuán)隊(duì)對負(fù)載開關(guān) FET 有一個詞——“精靈灰塵”——來描述在大部分設(shè)計(jì)完成后它們可以“灑”在系統(tǒng)上的普遍方式。這也許會對這些小型發(fā)電機(jī)造成損害，因?yàn)樗鼈兺ǔＲ彩菍㈦娮酉到y(tǒng)固定在一起的粘合劑。

2.如何選擇合適的MOSFET作為電子開關(guān)

這些設(shè)備攜帶的小信號一般在幾百毫安左右，因此理論上沒有理由不能集成該功能。然而，定制集成電路 (IC) 的成本可能更高，因此一旦設(shè)計(jì)完成，就可以更容易地實(shí)現(xiàn)其中一些小信號 FET，而不是要求或重新設(shè)計(jì)定制 IC。鑒于此，這些設(shè)備通常有兩個基本要求：便宜且小巧。這些要求中哪一個最關(guān)鍵將決定哪種類型的 MOSFET 最適合我們的設(shè)計(jì)。

如果成本是最重要的因素，那么小外形晶體管 (SOT) 系列（SOT-23、SOT-26、SOT-323、SOT-523）等小尺寸封裝將是最可取的選擇。這些器件的 PCB 占位面積從 2.6mm 2到 10mm 2，導(dǎo)通電阻在幾百毫歐到幾歐姆的范圍內(nèi)，并且可以處理高達(dá)大約半安培的電流（取決于電阻）。它們由較大的突出引線和體積較大的封裝組成（見圖 1）。雖然一些工業(yè)設(shè)計(jì)師更喜歡外部引線，因?yàn)樗鼈兪闺娐钒灏惭b簡單，并且可以輕松地對焊接連接進(jìn)行目視檢查，但這些 FET 的最大吸引力在于它們的低成本（一分錢或更少）。我應(yīng)該注意到，TI 確實(shí)沒有任何針對這些封裝中的 MOSFET 的產(chǎn)品，也沒有打算在這個商品化空間中發(fā)揮作用。 

圖 1：幾個 SOT 封裝（未按比例繪制）

另一方面，如果減少許多外來小信號晶體管占用的 PCB 空間是最大的問題，更好的解決方案是裸芯片芯片級封裝 (CSP) 或焊盤網(wǎng)格陣列 (LGA) 器件。TI 擁有多種此類器件，最受歡迎的是我們的FemtoFET產(chǎn)品線 （圖 2）。這些器件具有超小尺寸，可提供小至 0.5 毫米以下的尺寸選擇2. 這種微小的外形不可避免地意味著通過 PCB 的高結(jié)到環(huán)境熱阻抗。然而，由于電阻可能比大尺寸 SOIC 封裝器件小一到兩個數(shù)量級，減少的傳導(dǎo)損耗足以彌補(bǔ)熱阻抗的輕微增加，在某些情況下實(shí)現(xiàn)更高的電流處理能力1A。

圖 2：三種不同的 FemtoFET 封裝產(chǎn)品（未按比例繪制）

在選擇上述哪條道路前行，我提供兩個最后的警告。首先，在使用 FemtoFET（或其他一些超小型設(shè)備）之前，我們應(yīng)該檢查我們的 PCB 制造能力。一些工業(yè)制造工藝更喜歡安裝焊盤之間的更大間距（因此更喜歡 SOT 設(shè)備）。其他產(chǎn)品可以處理低至 0.5 毫米的間距（如 F5 FemtoFET 系列），而個人電子產(chǎn)品制造商通?？梢蕴幚淼椭?0.35 毫米的間距（由 F4 和 F3 FemtoFET 封裝支持）。

我之前已經(jīng)詳細(xì)討論過電流額定值，但因?yàn)樨?fù)載開關(guān)的唯一目的是承載小電流，所以值得再回顧一次。與往常一樣，最佳做法是忽略首頁的電流額定值，而是從我們認(rèn)為系統(tǒng)允許 FET 耗散的功率損耗倒退計(jì)算。

大多數(shù)數(shù)據(jù)表將提供最小和最大銅 (Cu) PCB 方案的結(jié)到環(huán)境熱阻抗 (R θJA )。使用最小銅作為最壞情況是最安全的選擇，但如果我們知道終端板尺寸，我們可以嘗試在數(shù)據(jù)表中提供的最小和最大銅阻抗之間插入 R θJA。然后，使用下面的公式 1 以及終端設(shè)備最壞情況周圍環(huán)境的知識，我們可以計(jì)算出 FET 可以處理的功率以及電流：

負(fù)載開關(guān)應(yīng)用的一個好處是設(shè)備要么打開要么關(guān)閉。因此——與我在本系列中討論的所有其他應(yīng)用不同——所有功率損耗都是由傳導(dǎo)損耗 (I 2 R) 引起的。

這篇文章專門針對分立 FET 可以充分滿足我們的設(shè)計(jì)需求但最終我們的設(shè)計(jì)應(yīng)該選擇最合適的集成級別的那些應(yīng)用。