MOS管熱阻、輸入輸出電容、開關時間分析-KIA MOS管

打開一個MOS管的SPEC，會有很多電氣參數，本文分析一下熱阻、電容和開關時間。

熱阻，英文Thermal resistance，指的是當有熱量在物體上傳輸時，在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值，單位是℃/W或者是K/W。

半導體散熱的三個途徑，封裝頂部到空氣，封裝底部到電路板，封裝引腳到電路板。

結到空氣環境的熱阻用ThetaJA表示，ThetaJA = (Tj-Ta)/P

其中Tj為芯片結溫，Ta為芯片環境溫度，如下圖所示。

還有一些其他的熱阻參數如下：

ThetaJC=(Tj-Tc)/P，結到封裝外殼的熱阻，一般而言是到封裝頂部的熱阻，所以一般的，ThetaJC=ThetaJT

ThetaJB=(Tj-Tb)/P，結到PCB的熱阻。

ThetaJA參數綜合了Die的大小, 封裝方式，填充材料，封裝材料，引腳設計，外部散熱片和外部電路板的屬性多個因素，綜合來講ThetaJA和用的器件以及PCB設計有關。ThetaJC和ThetaJB這2個參數是表征芯片和封裝本身的，不會隨著芯片封裝外部環境的改變而改變。

熱阻和以下幾個參數比較緊密相關。

Power dissipation：功率損耗，指的是NMOS消耗功率不能超過150mW，否則可能損壞MOS管。

Junction temperature：結溫，結面溫度，指的是NMOS最高結溫不能超過150℃。

Thermal resistance：如下的833℃/W指的是NMOS結面相對于環境溫度的熱阻是833℃/W，假如器件消耗的功率是1W，那溫升就是833℃。

當NMOS工作在最大功率150mW，那NMOS結到空氣的溫度就是：150/1000*833≈125℃，芯片結溫就是125+25=150℃。

再看一下MOS管的電容。

輸入電容Ciss，指的是DS短接，用交流信號測得的GS之間的電容，Ciss由GS電容和GD電容并聯而成，即Ciss=Cgs+Cgd，當輸入電容充電至閾值電壓，MOS管才打開，放電至一定的值，MOS管才關閉，所以Ciss和MOS管的開啟關閉時間有很大的關系。

輸出電容Coss，指的是GS短接，用交流信號測得的DS之間的電容，Coss由GD電容和DS電容并聯而成，即Coss=Cgd+Cds

反向傳輸電容Crss，指的是S接地，GD之間的電容，即Crss=Cgd

MOS管關閉下，Cgs要比Cgd大得多，Cgd=1.7pF，那Cgs=7.1-1.7=5.4pF。

從SPEC給的圖看，3個電容的大小和DS電壓有很大關系，尤其是Coss和Crss

有的一些MOS管SPEC中還有如下的Qg、Qgs、Ggd，指的是充滿這些電容所需要的電荷數，所需要的充電電荷數越少，MOS管開關速度就越快。

MOS管關閉下，Cgs要比Cgd大的多，但是發現Qgd比Qgs大得多，這是受到米勒電容的影響。

結合一下圖片理解MOS管的開關時間。

最左邊綠色部分，ID和UD幾乎不變，因為這時候UGS沒有上升到閾值電壓，MOS管是關閉狀態，把UGS從0增大到閾值電壓前這段時間叫Turn-on delay time。

緊接著紫色部分，當UGS上升到閾值電壓后，隨著UGS再繼續增大，ID也逐漸增大，UD逐漸減小，直到ID到最大值，UD到最小值，這段時間叫Rise time。

同理，MOS管在關閉時，UGS沒有下降到閾值電壓，ID和UD都是不變的，把UGS下降到閾值電壓前這段時間叫Turn-off delay time。

隨著UGS逐漸減小，ID減小到最小值，UD增大到最大值，這段時間叫Fall time。

那為什么要了解MOS管的電容和開關時間呢？當MOS管用在對開關速度有要求的電路中，可能會因為MOS管的開關時間過慢，導致通信失敗。

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