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是一款采用場效應(yīng)半導(dǎo)體先進溝槽工藝制造的N溝道型MOSFET產(chǎn)品，其最大特點是擁有卓越的優(yōu)值系數(shù)（FOM）。截至發(fā)稿時，該產(chǎn)品已經(jīng)包括在電源轉(zhuǎn)換、電機驅(qū)動、LED照明、美容醫(yī)療等領(lǐng)域的十多個不同類方案中超過百萬顆物料的市場應(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
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。
? 高開關(guān)速度：適用于高頻開關(guān)應(yīng)用。
? 相對高電流處理能力：支持大電流應(yīng)用。
? 低柵極電荷（Qg）：Qg=8NC,減少驅(qū)動開關(guān)損耗。
2.性能優(yōu)勢：
? 高溫穩(wěn)定性：結(jié)溫高達150℃，適合車規(guī)級及高溫環(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)用場景
1．電源管理：
? 開關(guān)電源DC-DC模塊的輸出端是直接作用在負載上的，需要低導(dǎo)通內(nèi)阻和高頻率開關(guān)特性的MOSFET,來提升電能轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)能量最大化利用。
2．電機驅(qū)動：
? 電機控制電路最長用的拓撲方案是半橋和全橋驅(qū)動，橋型組合控制最大的特點就是相位切換、正反切換絲滑，而不能引起高溫，并且電機屬于感性負載，存在高反向感應(yīng)電動勢，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，來取代整流二極管以降低整流過程中導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗的技術(shù)。高效的開關(guān)特性，實現(xiàn)了對不同LED燈的精確控制能力。
4．BMS：BMS-Battery Management System電池管理系統(tǒng)是對鋰電池進行過充、過放、過流和短路保護。鋰電池保護板的原理主要是通過專門的集成保護板來監(jiān)控和管理電池的狀態(tài)。其通過監(jiān)測電池的電壓和電流，并在必要時切斷電路，以防止電池損壞。
5．其他應(yīng)用：
? 如逆變器、無線充電等。
四、設(shè)計指南
MOSFET屬于電壓控制性元件，是通過柵極電壓控制漏-源極間的電流，柵極驅(qū)動設(shè)計對于電路的穩(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)動電壓（VGS）設(shè)計不能小于該值，若要求達到MOSFET完全導(dǎo)通,理想情況則是柵極驅(qū)動電壓VGS>4.5V（該值來源于CMSC1653 MOSFET導(dǎo)通內(nèi)阻與驅(qū)動電壓的關(guān)系圖，如下圖所示）
在此有必要提醒讀者朋友，不要在MOSFET上提供使用過大的驅(qū)動電壓即就是在考慮熱阻特性時并不是驅(qū)動電壓越大越好（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)動電路原理通常是由控制邏輯芯片串聯(lián)MOSFET實現(xiàn)邏輯控制。MOSFET邏輯控制過程必須遵循穩(wěn)定且可靠原則。實際電路應(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)動出現(xiàn)異常尖峰，這些異常尖峰對MOSFET的驅(qū)動控制帶來極大的不穩(wěn)定性和工作狀態(tài)的不確定性，主要表現(xiàn)有：
? 工作時散熱特點發(fā)生變化；
? 使MOSFET較長期工作在雪崩狀態(tài)；
? 尖峰的耦合對電路關(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)動電路設(shè)計，對于簡單設(shè)備及簡單電路，驅(qū)動電路一般建議設(shè)計是增加串聯(lián)柵極保護電阻Rg；對于較高端設(shè)備則會將驅(qū)動電路設(shè)計的相對復(fù)雜一些，如大功率逆變電源中，為了提高MOSFET柵極驅(qū)動能力，通常需要額外增加‘圖騰柱’和‘門電路’的方式實現(xiàn)MOSFET驅(qū)動控制。
總的來說，邏輯芯片與MOSFET之間的串聯(lián)電路，既能減少振蕩，又能對芯片起到保護的作用。
2.散熱設(shè)計
PCBA電路板中一般的散熱方案設(shè)計有如增加散熱片、PCB銅箔、PCBA過孔以及外加散熱風(fēng)扇等設(shè)計）。
? 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）。
? 保護電路：在電路中添加過壓保護（如RDC尖峰吸收電路、RC濾波電路）、過流保護、提高反向阻斷特性（如增加超快恢復(fù)二極管）、ESD保護電路和浪涌保護等等電路。
3.熱阻計算
熱阻（thermal resistance）是一個和熱有關(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)手冊都會給出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外部環(huán)境的熱阻 (此外部環(huán)境在測試中不受器件自身發(fā)熱影響，在實際應(yīng)用中會影響，所以RθJA只用來粗略估算，可以只能用來快速估算結(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，測試時其他方向不散熱，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，測試時其他方向不散熱，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，測試時其他方向不散熱，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算公式
五、常見問題解答（FAQ）
Q1：如何選擇合適的MOSFET？
A：根據(jù)電壓、電流、開關(guān)頻率和封裝需求選擇。
Q2：如何優(yōu)化MOSFET的開關(guān)性能？
A：合理設(shè)計柵極驅(qū)動電路，選擇低柵極電荷（Qg）的MOSFET。
Q3：MOSFET發(fā)熱嚴重怎么辦？
A：優(yōu)化散熱設(shè)計，降低導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗。
六、技術(shù)支持與資源
如需詳細的產(chǎn)品手冊及相關(guān)技術(shù)支持，請注冊登錄場效應(yīng)半導(dǎo)體官網(wǎng)www.changshuntong.cn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、高開關(guān)速度和超高性價比等核心優(yōu)勢成為電源轉(zhuǎn)換、電機驅(qū)動、LED照明、美容醫(yī)療以及鋰電池保護板鄰域不可替代的產(chǎn)品。通過大量的多種類產(chǎn)品驗證，CMSC1653 MOSFET具有寬泛的兼容性和較高的穩(wěn)定性，為設(shè)備安全可靠的運行保駕護航。
