如何为我们的应用选择合适的功率 MOSFET 或功率模块的封装
1.前言
在开始新设计时，工程师常常被功率金属氧化物半导体场效应晶体管 ( MOSFET ) 和功率块的封装选项数量所淹没。
例如，TI 提供采用 12 种独特封装的单 N 沟道 MOSFET。鉴于有无数的选项，我们如何知道为我们的应用程序选择哪个包？
选择元件封装时需要考虑许多因素，包括通孔与表面贴装、尺寸、成本、引线间距和热能力。在这篇技术文章中，我想重点讨论封装热能力，并提供一些有关 TI MOSFET 和功率模块封装功耗的经验法则。希望这些规则对我们有所帮助，因为功耗决定了给定应用中可能的最小封装。
2.从查看数据表开始
所有功率 MOSFET 和功率块数据表都在热信息表中包含热阻抗规格。图 1 显示了CSD17581Q5A的热阻抗规格图示。
正如上面所详述的，数据表中的热阻抗是使用标准测试程序和印刷电路板 (PCB) 布局确定的。图 2 描述了用于测量 5 毫米 x 6 毫米小外形无引线 (SON) 封装热阻抗的标准测试板。TI 已经为其他 TI MOSFET 封装开发了类似的标准化测试板。
通常，实际应用使用具有两层或多层的 PCB、散热孔和介于图 2 所示之间的焊盘区域。这些努力导致低热阻，允许热量扩散到内部 PCB 层中使用最小电路板面积的空间优化解决方案。
图 2：CSD17581Q5A 数据表中显示的5 毫米 x 6 毫米 SON 结到环境热阻 (R θJA ) 测量值
最大功率耗散在功率 MOSFET/功率块数据表的绝对最大额定值表（表 1）中指定。最大功耗是一个计算值，如本文中所示，实际上，它不是很有用，因为用于此类测试的标准 PCB 与实际的实际应用无关。从绝对最大额定值开始，但请记住，特定封装的散热能力在我们的应用中可能更好或更差，取决于我们的 PCB 设计和环境条件。
T A = 25°C（除非另有说明）
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热指标 |
我的最大类型 |
单元 |
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R θ JC结壳热阻(1) |
1.5 |
℃ |
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R θ JA结到环境热阻(1)(2) |
50 |
(1) R θJC由安装在 1 英寸2 (6.45-cm 2 )、2-oz (0.071-mm) 厚的 Cu 焊盘上的器件确定，该焊盘位于 1.5-in × 1.5-in (3.81-cm × 3.81 -cm)，0.06 英寸（1.52 毫米）厚的 FR4 PCB。R θJC由设计规定，而R θJA由 用户的电路板设计决定。
(2) 设备安装在 FR4 材料上，具有 1 英寸2（6.45 厘米2）、2 盎司（0.071 毫米）厚的铜。
表 1：CSD17581Q5A热阻抗规格
3.考虑设计经验和经验数据
幸运的是，已有使用 MOSFET 封装的现有设计可以让我们了解每个封装在实际条件下的散热能力。结合测试期间收集的经验数据，我们应该对特定功率 MOSFET 封装中可以耗散的功率量有一些指导。表 1 至 5 总结了按产品类别和封装类型估算的最大功耗。
请记住，下表中的功耗数字只是估计值。由于有效的结到环境热阻很大程度上取决于 PCB 设计，因此我们的实际性能可能会有所不同；换句话说，我们的特定设计可能会比此处介绍的更多或更少功耗。使用这些指南可以帮助缩小设计中要考虑的封装的范围。
4.如何阅读表格
让我们考虑 5 毫米 x 6 毫米塑料 SON 封装。TI 为其功率 MOSFET 和电源块使用了此 SON 封装的几个版本。大多数供应商的功率器件都有类似的封装，并且存在大量关于它可以耗散多少功率的数据。TI 已在尺寸为 4 英寸宽、3.5 英寸长、0.062 英寸高和 1 盎司铜厚的六层铜层的 PCB 设计上测试了该封装中的电源块。根据测试结果，一个好的经验法则是 5 毫米 x 6 毫米 SON 封装在布局良好的典型应用中可以消耗大约 3 瓦的功率。
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产品类别=单N沟道MOSFET |
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包装说明 |
封装类型（图纸） |
尺寸（毫米） |
典型 R θJA (°C/W) |
估计 P DISS (W) |
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毫微微场效应管™ |
PicoStar™ 封装 (YJM) |
0.73 × 0.64 |
255 |
0.5 |
|
毫微微场效应管™ |
PicoStar 包（YJC、YJJ） |
1.0 × 0.6 |
245 |
0.5 |
|
毫微微场效应管™ |
PicoStar 套餐 (YJK) |
1.53 × 0.77 |
245 |
0.5 |
|
晶圆级封装（W、W10） |
DSBGA (YZB) |
1.0 × 1.0 |
275 |
0.4 |
|
晶圆级封装 (W1015) |
DSBGA (YZC) |
1.0 × 1.5 |
230 |
0.5 |
|
2 毫米 x 2 毫米 SON (Q2) |
WSON (DQK) |
2.0 × 2.0 |
55 |
2.2 |
|
引线键合 3mm×3mm SON (Q3A) |
VSONP (DNH) |
3.3 乘 3.3 |
48 |
2.5 |
|
剪辑 3 毫米 x 3 毫米 SON (Q3) |
VSON-CLIP (DQG) |
3.3 乘 3.3 |
48 |
2.5 |
|
引线键合 5 毫米 x 6 毫米 SON (Q5A) |
VSONP (DQJ) |
5.0 x 6.0 |
40 |
3.0 |
|
夹子 5 毫米 x 6 毫米 SON (Q5B) |
VSON-CLIP (DNK) |
5.0 x 6.0 |
40 |
3.0 |
|
夹子 5 毫米 x 6 毫米 SON (Q5) |
VSON-CLIP (DQH) |
5.0 x 6.0 |
40 |
3.0 |
|
TO-220 (KCS) |
TO-220 |
不适用 |
24 |
5.0 |
|
D2PAK (IMP) |
DDPAK/TO-263 |
不适用 |
30 |
4.0 |
表 2：按封装估算的单个 N 沟道 MOSFET 功耗
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产品类别=双N沟道MOSFET |
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包装说明 |
封装类型（图纸） |
尺寸（毫米） |
典型 R θJA (°C/W) |
估计 P DISS (W) |
|
LGA (L) |
PicoStar 包 (YME) |
1.35 乘 1.35 |
175 |
0.7 |
|
LGA (L) |
PicoStar 套餐 (YJE) |
2.2 乘 1.15 |
150 |
0.8 |
|
LGA (L) |
PicoStar 包 (YJG) |
3.37 乘 1.47 |
92.5 |
1.3 |
|
晶圆级封装 (W1723) |
DSBGA (YZG) |
1.7 乘 2.3 |
140 |
0.9 |
|
2 毫米 x 2 毫米 SON (Q2) |
WSON (DQK) |
2.0 × 2.0 |
55 |
2.2 |
|
3 毫米 x 3 毫米 SON (Q3E) |
VSON (DPA) |
3.3 乘 3.3 |
50 |
2.4 |
|
S0-8 (ND) |
SOIC (D) |
5.0 x 6.0 |
60 |
2.0 |
表 3：按封装估算的双 N 沟道 MOSFET 功耗
|
产品类别=单P沟道MOSFET |
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包装说明 |
封装类型（图纸） |
尺寸（毫米） |
典型 R θJA (°C/W) |
估计 P DISS (W) |
|
毫微微场效应管™ |
PicoStar 套餐（YJM、YJN） |
0.73 × 0.64 |
255 |
0.5 |
|
毫微微场效应管™ |
PicoStar 包（YJC、YJJ） |
1.0 × 0.6 |
245 |
0.5 |
|
毫微微场效应管™ |
PicoStar 套餐 (YJK) |
1.53 × 0.77 |
245 |
0.5 |
|
LGA (L) |
PicoStar 套餐 (YMG) |
1.2 乘 1.2 |
225 |
0.5 |
|
晶圆级封装 (W10) |
DSBGA (YZB) |
1.0 × 1.0 |
275 |
0.4 |
|
晶圆级封装（W、W1015） |
DSBGA (YZC) |
1.0 × 1.5 |
230 |
0.5 |
|
晶圆级封装（W、W15） |
DSBGA (YZF) |
1.5 乘 1.5 |
220 |
0.5 |
|
2 毫米 x 2 毫米 SON (Q2) |
WSON (DQK) |
2.0 × 2.0 |
55 |
2.2 |
|
引线键合 3mm×3mm SON (Q3A) |
VSONP (DNH) |
3.3 乘 3.3 |
48 |
2.5 |
|
夹 3 毫米 x 3 毫米 SON (Q3) |
VSON-CLIP (DQG) |
3.3 乘 3.3 |
48 |
2.5 |
表 4：按封装估算的单个 P 沟道 MOSFET 功耗
|
产品类别=双P沟道MOSFET |
||||
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包装说明 |
封装类型（图纸） |
尺寸（毫米） |
典型 R θJA (°C/W) |
估计 P DISS (W) |
|
晶圆级封装 (W1015) |
DSBGA (YZC) |
1.0 × 1.5 |
230 |
0.5 |
|
晶圆级封装 (W15) |
DSBGA (YZF) |
1.5 乘 1.5 |
220 |
0.5 |
表 5：按封装估算的双 P 沟道 MOSFET 功耗
|
产品类别=N通道电源模块 |
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包装说明 |
封装类型（图纸） |
尺寸（毫米） |
典型 R θJA (°C/W) |
估计 P DISS (W) |
|
LGA (P) |
PTAB (MPC) |
3.0 x 2.5 |
67 |
1.8 |
|
LGA (N) |
PTAB (MPA) |
2.5 x 5.0 |
56 |
2.1 |
|
LGA (M) |
PTAB (MPB) |
5.0 x 3.5 |
50 |
2.4 |
|
剪辑 3 毫米 x 3 毫米 SON (Q3D) |
LSON-CLIP (DQZ) |
3.3 乘 3.3 |
58 |
2.1 |
|
夹子 5 毫米 x 6 毫米 SON (Q5D) |
LSON-CLIP (DQY) |
5.0 x 6.0 |
40 |
3.0 |
|
DualCool™ 5 毫米 x 6 毫米 SON (Q5DC) 封装 |
VSON-CLIP (DMM) |
5.0 x 6.0 |
40 |
3.0 |
表 6：N 通道电源模块按封装估算的功耗
5.结论
我们可以使用本技术文章中提供的信息来指导我们选择功率 MOSFET 和功率块的封装。始终检查我们应用中的 MOSFET 功率损耗是否不超过封装能力。这些不是绝对限制，我们的应用程序的性能将取决于操作和环境条件，以及 PCB 布局和堆叠。
当然，在为设计选择功率器件时，功耗并不是唯一的考虑因素。我们还必须考虑其他参数，例如额定电压和电流、导通电阻、封装尺寸和引线间距。
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