应用于高性能_高可靠大功率锂电池保护的N+N型MOS

应用于高性能_高可靠大功率锂电池保护的N+N型MOS

作者: 张启东，西安电子科技大学集成电路学部副教授，西安矽源半导体有限公司总经理

一、简介

设计电路时，MOSFET热计算是必不可少的项目，尤其是对于处理大功率的功率元器件而言，不仅从工作寿命的角度看很重要，从安全性方面看也非常重要。

关于像 TO-220 和 TO-247 等可带散热器的封装、TO-252 和 TO-263 等可将背面引脚安装在电路板上的封装，这些可从背面散热的封装，其热阻的术语和定义如下：

T_A ：周围（环境）温度

T_J ：结温

T_C ：封装背面温度

T_T ：封装标印面温度

R_thJA（θ_JA）：结点与周围（环境）间的热阻

R_thJC（θ_JC）：结点与封装背面间的热阻

常用封装的热阻如下：

封装类型	R_thJA（θ_JA）(℃/W)	R_thJC（θ_JC）(℃/W)
TO-252	110	2.5
TO-220	62.5	0.89
TO-263	62.5	0.96
TO-247	50	0.44

P_D=(T_J- T_C)/R_thJC (P_D为容许的最大功耗)

将最大额定值150℃代入T_J（VDMOS功率器件最高温度，SiC器件最高工作温度为175℃），将容许损耗值的条件25℃代入T_C（封装焊盘温度），将最大值0.44℃/W（TO-247封装）代入R_thJC，其中R_thJC是在T_C＝25℃条件下的值。该公式更易懂的解释是，T_J的绝对最大额定值和T_C的差即芯片自身的发热容许值。在上述条件下，150－25＝125℃，即芯片的容许发热量为125℃以下。发热量 = 热阻×功耗，因此可容许的发热量除以热阻，即可计算出容许的功耗，即容许损耗（T_C=25℃，表示散热系统维持MOS焊盘处于此温度值）。在这里有一点需要事先了解：提供的R_thJC是带有T_C＝25℃的条件的。换言之，如果T_C不是25℃，那么R_thJC就不是0.44℃/W。考虑到实际的使用条件，T_C通常不会正好是25℃，因此技术规格书中作为示例给出的R_thJC值并不适用于实际使用条件下的热计算。

我们在进行电路设计时，往往可以计算出MOS器件的损耗功率，此时我们如何确定MOS器件此时的状态是否处于安全区域？答案是我们可以用热像仪探测MOS器件的焊盘温度。例如：对于TO252封装的MOS，我们计算得到MOS器件的功率是4W，允许的焊盘温度T_C=150℃ – 4 x 2.5 = 140℃. 当使用时必须保证MOS外壳的温度低于140℃，不然就会使结温超过150℃，可能损坏MOS。因温度升高时，封装热阻会增加，考虑2倍降额时，焊盘温度需要低于120℃。

另一种计算功率损耗的方法是通过R_thJA求得，T_J和R_thJA的关系可通过以下公式表示：

T_J=（R_thJA × P）+ T_A

P是电力损耗（功耗）。括号内是芯片的自身发热量，加上环境温度T_A即得出T_J值。由于此次使用的是R_thJA，请按照已将前面给出的公式中的T_C替换为T_A来思考。通过该计算，来调整功率损耗P或T_A，以确保T_J不超过绝对最大额定值150℃。如果要通过该公式来计算，就需要掌握环境温度、MOSFET的功率损耗以及R_thJA值。环境温度和MOSFET功率损耗相对容易掌握。此类封装的R_thJA值因安装电路板封装背面的焊盘面积、铜箔厚度、电路板的材质及层数而异。有时可以获得MOSFET在标准的电路板条件下安装时的R_thJA值。

同样，对于TO252封装的MOS，在允许的环境温度T_A不超过85℃时（可以采用热像仪确定MOS管壳表面温度值），计算的功率损耗P < （150℃ – 85℃） / 110 = 0.59W。换而言之，当我们粗略计算出功率器件的损耗时，通过封装的R_thJA及MOS表面的温度（热像仪探测）可以快速计算出MOS器件的结温。

伴随着消费类产品对电池容量和充电速度进一步需求，电池保护需要承担更大充放电电流能力，特别是充电电流。同时用户对电子产品充电时的发热同样提出了更高的要求。当前快充应用中，电池的持续充电电流已经高达20A，而且要求手机的温度与环境温度差值越低越好，甚至要求低于1℃。此时，可计算出充放电MOS的热阻与损耗的乘积小于1℃。当电池保护中充放电管理MOS器件的导通阻抗为2.5mΩ时，P为1W，通过计算R_thJA需要小于1℃/W的热阻特性。对于RthJA小于1℃/W的指标要求，覆盖塑封体材料的封装是无法解决这个问题，而与MOS晶圆紧贴并裸漏的散热片成为封装的首选方案。