请问芯片集成电路里面怎么加入电阻,电容的那么细长电阻会很大电压不会很高吗?电流不会很大?击穿烧坏

为石油化工,煤矿井下特种工况提供一系列的产品,软件解决方案

  • 化工危险场所通信安全解决方案

    在化工厂的火灾爆炸隐患中,电气的火灾爆炸是很重要的问题。特别是生产场所,约有80%以上生产场所区域存在爆炸性物质。而目前我国化工危险场所移动通信设备的普及率高,但是对移动通信设备的安全…

90%的客户关注这4个问题

我们发现,绝大部分客户咨询都十分关注以下4个问题,新研特种设备产品总监
根据8年的行业经验,给您详细做出解答

  • 01新研公司的实力怎样?

    专注防爆技术7年,是国家高新技术企业,获得ISO9001质量管理体系认证。

    成都双流区规上企业,厂房面积3000㎡左右,获得50多个防爆证书,以及大小专利10多项。

  • 02新研产品性价比怎样?

    源头厂家,省去中间商赚差价。

    产品种类多,满足客户一站式采购需求。

    产品质量过硬,通过专业机构颁发50多个防爆证书。

  • 03有什么耳熟能详的合作案例吗?

    新研成立至今,服务超过4500家企业单位。

    已成功为中石油、中石化、各地安监部门等大型企业提供防爆终端产品及服务。

    也曾服务齐鲁制药、众邦制药、恒生制药等制药企业。

  • 严格执行三包售后服务。

    有一只技术型售后团队,可快速响应售后问题

特种环境下,一个小的设计或装配缺陷都有可能引发危险

每一台终端设备,以苛刻的标准改装,防止各种可能引发爆炸,短路,过流的隐患

广西新研科技有限公司成立于2013年,生产销售:防爆手机、防爆相机、防爆摄像机、防爆平板电脑、防爆手持终端、防爆气体检测仪以及本安型仪器仪表,成立至今,新研服务超过4500多家企业单位,已成功为中石油、中石化、各地安监部门、海事局等大型企业提供防爆终端产品及服务,也曾服务齐鲁制药、众邦制药、恒生制药等制药企业。我们有一支经验丰富的研发团队,可根据客户需求,对现有产品做软件二次开发升级,也能给用户提供防爆产品定制服务。

1.1 功率半导体器件在工业 、消费 、军事等领域都有着广泛应用 ,具有很高的战略地位,下面我们从一张图看功率器件的全貌:

1.2 功率半导体器件又可根据对电路信号的控程度分为全型 、半控型及不可;或按驱动电路信号 性质分为电压驱动型 、电流驱动型等划分类别 电流驱动型等划分类别 电流驱动型等划分类别 。

1.3 不同功率半导体器件 ,其承受电压 、电流容量 、阻抗能力 、体积大小等特性也会不同 ,实际使用中 , 需要根据不同领域 、不同需求来选用合适的器件。

1.4 半导体行业从诞生至今 ,先后经历了三代材料的变更程 ,截至目前 ,功率半导体器件领域仍主要采 用以 Si 为代表的第一半导体材料 。

1.5 汇总下半控型和全控型功率器件的特性

2.1 MOS管具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好;制造工艺简单、辐射强,因而通常被用于放大电路或开关电路;

(1)主要选型参数:漏源电压VDS(耐压),ID 连续漏电流,RDS(on) 导通电阻,Ciss 输入电容(结电容),品质因数FOM=Ron * Qg等。

(2)根据不同的工艺又分为

在开关电源中,如漏极开路电路,漏极原封不动地接负载,叫开路漏极,开路漏极电路中不管负载接多高的电压,都能够接通和关断负载电流。是理想的模拟开关器件。这就是MOS管做开关器件的原理(详细请关注作者其他MOS详解)。

2.2 从市场份额看,MOSFET几乎都集中在国际大厂手中,其中英飞凌2015年收购了IR(美国国际整流器公司)成为行业龙头,安森美也在2016年9月完成对仙童半导体的收购后,市占率跃升至第二,然后销售排名分别是瑞萨、东芝、万国、ST、威世、安世、美格纳等等;

与活跃于中国大陆的国际厂商相比,国产企业优势不明显,但这不能说国产没有机会,中国大陆是世界上产业链最齐全的经济活跃区,在功率半导体领域活跃着一批本土制造企业,目前已基本完成产业链布局,且处于快速发展中;特别是MOSFET领域,国产在中低压领域替换进口品牌潜力最大,且部分国产、如士兰、华润微(中航)、吉林华微等都在努力进入世界排名;

3.1 MOS管分为几大系列:美系、日系、韩系、国产。

美系:英飞凌、IR,仙童,安森美,ST,TI ,PI,AOS美国万代半导体等;

日系:东芝,瑞萨,ROHM罗姆等;

韩系:美格纳,KEC,AUK,森名浩,信安,KIA

国产:吉林华微电子股份有限公司,扬州扬杰电子科技股份有限公司,

杭州士兰微电子股份有限公司,华润微电子(重庆)有限公司,无锡新洁能,西安后裔,深圳锐俊半导体,无锡华润华晶微电子有限公司,江苏东晨电子科技有限公司(前身东光微),东微半导体,威兆半导体,苏州硅能,无锡市芯途半导体有限公司

插入式就是MOSFET的管脚穿过PCB板的安装孔并焊接在PCB板上。常见的插入式封装有:双列直插式封装(DIP)、晶体管外形封装(TO)、插针网格阵列封装(PGA)三种样式。

表面贴裝则是MOSFET的管脚及散热法兰焊接在PCB板表面的焊盘上。典型表面贴装式封装有:晶体管外形(D-PAK)、小外形晶体管(SOT)、小外形封装(SOP)、方形扁平式封装(QFP)、塑封有引线芯片载体(PLCC)等。

随着技术的发展,目前主板、显卡等的PCB板采用直插式封装方式的越来越少,更多地选用了表面贴装式封装方式。

1、双列直插式封装(DIP)

DIP封装有两排引脚,需要插入到具有DIP结构的芯片插座上,其派生方式为SDIP(Shrink DIP),即紧缩双入线封装,较DIP的针脚密度高6倍。

DIP封装结构形式有:多层陶瓷双列直插式DIP、单层陶瓷双列直插式DIP、引线框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式、塑料包封结构式、陶瓷低熔玻璃封装式)等。DIP封装的特点是可以很方便地实现PCB板的穿孔焊接,和主板有很好的兼容性。

但由于其封装面积和厚度都比较大,而且引脚在插拔过程中很容易被损坏,可靠性较差;同时由于受工艺的影响,引脚一般都不超过100个,因此在电子产业高度集成化过程中,DIP封装逐渐退出了历史舞台。

2、晶体管外形封装(TO)

TO-3P/247:是中高压、大电流MOS管常用的封装形式,产品具有耐压高、抗击穿能力强等特点。

TO-220/220F:TO-220F是全塑封装,装到散热器上时不必加绝缘垫;TO-220带金属片与中间脚相连,装散热器时要加绝缘垫。这两种封装样式的MOS管外观差不多,可以互换使用。

TO-251:该封装产品主要是为了降低成本和缩小产品体积,主要应用于中压大电流60A以下、高压7N以下环境中。

TO-92:该封装只有低压MOS管(电流10A以下、耐压值60V以下)和高压1N60/65在采用,目的是降低成本。

近年来,由于插入式封装工艺焊接成本高、散热性能也不如贴片式产品,使得表面贴装市场需求量不断增大,也使得TO封装发展到表面贴装式封装。TO-252(又称之为D-PAK)和TO-263(D2PAK)就是表面贴装封装。

TO252/D-PAK是一种塑封贴片封装,常用于功率晶体管、稳压芯片的封装,是目前主流封装之一。

采用该封装方式的MOSFET有3个电极,栅极(G)、漏极(D)、源极(S)。

其中漏极(D)的引脚被剪断不用,而是使用背面的散热板作漏极(D),直接焊接在PCB上,一方面用于输出大电流,一方面通过PCB散热;所以PCB的D-PAK焊盘有三处,漏极(D)焊盘较大。其封装规范如下:

TO-263是TO-220的一个变种,主要是为了提高生产效率和散热而设计,支持极高的电流和电压,在150A以下、30V以上的中压大电流MOS管中较为多见。

3、插针网格阵列封装(PGA)

PGA(Pin Grid Array Package)芯片内外有多个方阵形的插针,每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列,根据管脚数目的多少,可以围成2~5圈。安装时,将芯片插入专门的PGA插座即可,具有插拔方便且可靠性高的优势,能适应更高的频率。

其芯片基板多数为陶瓷材质,也有部分采用特制的塑料树脂来做基板,在工艺上,引脚中心距通常为2.54mm,引脚数从64到447不等。

这种封装的特点是,封装面积(体积)越小,能够承受的功耗(性能)就越低,反之则越高。这种封装形式芯片在早期比较多见,且多用于CPU等大功耗产品的封装,如英特尔的80486、Pentium均采用此封装样式;不大为MOS管厂家所采纳。

4、小外形晶体管封装(SOT)

SOT23是常用的三极管封装形式,有3条翼形引脚,分别为集电极、发射极和基极,分别列于元件长边两侧,其中,发射极和基极在同一侧,常见于小功率晶体管、场效应管和带电阻网络的复合晶体管,强度好,但可焊性差,外形如下图(a)所示。

SOT89具有3条短引脚,分布在晶体管的一侧,另外一侧为金属散热片,与基极相连,以增加散热能力,常见于硅功率表面组装晶体管,适用于较高功率的场合,外形如下图(b)所示。

SOT143具有4条翼形短引脚,从两侧引出,引脚中宽度偏大的一端为集电极,这类封装常见于高频晶体管,外形如下图(c)所示。

SOT252属于大功率晶体管,3条引脚从一侧引出,中间一条引脚较短,为集电极,与另一端较大的引脚相连,该引脚为散热作用的铜片,外形如下图(d)所示。

常见SOT封装外形比较

主板上常用四端引脚的SOT-89 MOSFET。其规格尺寸如下:

SOP(Small Out-Line Package)是表面贴装型封装之一,也称之为SOL或DFP,引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L字形)。材料有塑料和陶瓷两种。

SO-8为PHILIP公司率先开发,采用塑料封装,没有散热底板,散热不良,一般用于小功率MOSFET。

常用于MOS管的SOP派生规格

6、方形扁平式封装(QFP)

QFP(Plastic Quad Flat Package)封装的芯片引脚之间距离很小,管脚很细,一般在大规模或超大型集成电路中采用,其引脚数一般在100个以上。

用这种形式封装的芯片必须采用SMT表面安装技术将芯片与主板焊接起来。该封装方式具有四大特点:

①适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线;

③操作方便,可靠性高;

④芯片面积与封装面积之间的比值较小。

与PGA封装方式一样,该封装方式将芯片包裹在塑封体内,无法将芯片工作时产生的热量及时导出,制约了MOSFET性能的提升;而且塑封本身增加了器件尺寸,不符合半导体向轻、薄、短、小方向发展的要求;另外,此类封装方式是基于单颗芯片进行,存在生产效率低、封装成本高的问题。

因此,QFP更适于微处理器/门陈列等数字逻辑LSI电路采用,也适于VTR信号处理、音响信号处理等模拟LSI电路产品封装。

7、四边无引线扁平封装(QFN)

是一种焊盘尺寸小、体积小、以塑料作为密封材料的新兴表面贴装芯片封装技术。

QFN主要用于集成电路封装,MOSFET不会采用。不过因Intel提出整合驱动与MOSFET方案,而推出了采用QFN-56封装(“56”指芯片背面有56个连接Pin)的DrMOS。

需要说明的是,QFN封装与超薄小外形封装(TSSOP)具有相同的外引线配置,而其尺寸却比TSSOP的小62%。根据QFN建模数据,其热性能比TSSOP封装提高了55%,电性能(电感和电容)比TSSOP封装分别提高了60%和30%。最大的缺点则是返修难度高。

传统的分立式DC/DC降压开关电源无法满足对更高功耗密度的要求,也不能解决高开关频率下的寄生参数影响问题。

随着技术的革新与进步,把驱动器和MOSFET整合在一起,构建多芯片模块已经成为了现实,这种整合方式同时可以节省相当可观的空间从而提升功耗密度,通过对驱动器和MOS管的优化提高电能效率和优质DC电流,这就是整合驱动IC的DrMOS。

经过QFN-56无脚封装,让DrMOS热阻抗很低;借助内部引线键合以及铜夹带设计,可最大程度减少外部PCB布线,从而降低电感和电阻。

另外,采用的深沟道硅(trench silicon)MOSFET工艺,还能显著降低传导、开关和栅极电荷损耗;并能兼容多种控制器,可实现不同的工作模式,支持主动相变换模式APS(Auto Phase Switching)。

除了QFN封装外,双边扁平无引脚封装(DFN)也是一种新的电子封装工艺,在安森美的各种元器件中得到了广泛采用,与QFN相比,DFN少了两边的引出电极。

8、塑封有引线芯片载体(PLCC)

PLCC(Plastic Quad Flat Package)外形呈正方形,尺寸比DIP封装小得多,有32个引脚,四周都有管脚,引脚从封装的四个侧面引出,呈丁字形,是塑料制品。

其引脚中心距1.27mm,引脚数从18到84不等,J形引脚不易变形,比QFP容易操作,但焊接后的外观检查较为困难。PLCC封装适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线,具有外形尺寸小、可靠性高的优点。

PLCC封装是比较常见,用于逻辑LSI、DLD(或程逻辑器件)等电路,主板BIOS常采用的这种封装形式,不过目前在MOS管中较少见。

由于CPU的低电压、大电流的发展趋势,对MOSFET提出输出电流大,导通电阻低,发热量低散热快,体积小的要求。MOSFET厂商除了改进芯片生产技术和工艺外,也不断改进封装技术,在与标准外形规格兼容的基础上,提出新的封装外形,并为自己研发的新封装注册商标名称。

WPAK是瑞萨开发的一种高热辐射封装,通过仿D-PAK封装那样把芯片散热板焊接在主板上,通过主板散热,使小形封装的WPAK也可以达到D-PAK的输出电流。WPAK-D2封装了高/低2颗MOSFET,减小布线电感。

LFPAK和LFPAK-I是瑞萨开发的另外2种与SO-8兼容的小形封装。LFPAK类似D-PAK,但比D-PAK体积小。LFPAK-i是将散热板向上,通过散热片散热。

Polar PAK是双面散热的小形封装,也是威世核心封装技术之一。Polar PAK与普通的so-8封装相同,其在封装的上、下两面均设计了散热点,封装内部不易蓄热,能够将工作电流的电流密度提高至SO-8的2倍。目前威世已向意法半导体公司提供Polar PAK技术授权。

安美森半导体开发了2种扁平引脚的MOSFET,其中SO-8兼容的扁平引脚被很多板卡采用。安森美新近推出的NVMx和NVTx功率MOSFET就采用了紧凑型DFN5(SO-8FL)和WDFN8封装,可最大限度地降低导通损耗,另外还具有低QG和电容,可将驱动器损耗降到最低的特性。

安森美SO-8扁平引脚封装

恩智浦(原Philps)对SO-8封装技术改进为LFPAK和QLPAK。其中LFPAK被认为是世界上高度可靠的功率SO-8封装;而QLPAK具有体积小、散热效率更高的特点,与普通SO-8相比,QLPAK占用PCB板的面积为6*5mm,同时热阻为1.5k/W。

Power 56是Farichild的专用称呼,正式名称为DFN 5×6。其封装面积跟常用的TSOP-8不相上下,而薄型封装又节约元件净空高度,底部Thermal-Pad设计降低了热阻,因此很多功率器件厂商都部署了DFN 5×6。

Direct FET能在SO-8或更小占位面积上,提供高效的上部散热,适用于计算机、笔记本电脑、电信和消费电子设备的AC-DC及DC-DC功率转换应用。与标准塑料分立封装相比,DirectFET的金属罐构造具有双面散热功能,因而可有效将高频DC-DC降压式转换器的电流处理能力增加一倍。

Direct FET封装属于反装型,漏极(D)的散热板朝上,并覆盖金属外壳,通过金属外壳散热。Direct FET封装极大地改善了散热,并且占用空间更小,散热良好。

除了外部封装,基于电子制造对MOS管的需求的变化,内部封装技术也在不断得到改进,这主要从三个方面进行:改进封装内部的互连技术、增加漏极散热板、改变散热的热传导方向。

1、封装内部的互连技术

TO、D-PAK、SOT、SOP等采用焊线式的内部互连封装技术,当CPU或GPU供电发展到低电压、大电流时代,焊线式的SO-8封装就受到了封装电阻、封装电感、PN结到PCB和外壳热阻等因素的限制。

这四种限制对其电学和热学性能有着极大的影响。随着电流密度的提高,MOSFET厂商在采用SO-8尺寸规格时,同步对焊线互连形式进行了改进,用金属带、或金属夹板代替焊线,以降低封装电阻、电感和热阻。

标准型SO-8与无导线SO-8封装对比

标准的SO-8封装采用塑料将芯片包围,低热阻的热传导通路只是芯片到PCB的引脚。而底部紧贴PCB的塑料外壳是热的不良导体,故而影响了漏极的散热。

技术改进就是要除去引线框下方的塑封化合物,方法是让引线框金属结构直接或加一层金属板与PCB接触,并焊接到PCB焊盘上,这样就提供了更多的散热接触面积,把热量从芯片上带走;同时也可以制成更薄的器件。

3、改变散热的热传导方向

Power-PAK的封装虽然显著减小了芯片到PCB的热阻,但当电流需求继续增大时,PCB同时会出现热饱和现象。所以散热技术的进一步改进就是改变散热方向,让芯片的热量传导到散热器而不是PCB。

瑞萨的LFPAK-I封装、国际整流器的Direct FET封装均是这种散热技术的典型代表。

未来,随着电子制造业继续朝着超薄、小型化、低电压、大电流方向的发展,MOS管的外形及内部封装结构也会随之改变,以更好适应制造业的发展需求。另外,为降低电子制造商的选用门槛,MOS管向模块化、系统级封装方向发展的趋势也将越来越明显,产品将从性能、成本等多维度协调发展。

而封装作为MOS管选型的重要参考因素之一,不同的电子产品有不同的电性要求,不同的安装环境也需要匹配的尺寸规格来满足。实际选用中,应在大原则下,根据实际需求情况来做抉择。

有些电子系统受制于PCB的尺寸和内部的高度,如通信系统的模块电源由于高度的限制通常采用DFN5*6、DFN3*3的封装;在有些ACDC的电源中,使用超薄设计或由于外壳的限制,适于装配TO220封装的功率MOS管,此时引脚可直接插到根部,而不适于使用TO247封装的产品;也有些超薄设计需要将器件管脚折弯平放,这会加大MOS管选用的复杂度。

一位工程师曾经对我讲,他从来不看MOSFET数据表的第一页,因为“实用”的信息只在第二页以后才出现。事实上,MOSFET数据表上的每一页都包含有对设计者非常有价值的信息。但人们不是总能搞得清楚该如何解读制造商提供的数据。本文概括了一些MOSFET的关键指标,这些指标在数据表上是如何表述的,以及你理解这些指标所要用到的清晰图片。像大多数电子器件一样,MOSFET也受到工作温度的影响。所以很重要的一点是了解测试条件,所提到的指标是在这些条件下应用的。还有很关键的一点是弄明白你在“产品简介”里看到的这些指标是“最大”或是“典型”值,因为有些数据表并没有说清楚。

确定MOSFET的首要特性是其漏源电压VDS,或“漏源击穿电压”,这是在栅极短路到源极,漏极电流在250μA情况下,MOSFET所能承受的保证不损坏的最高电压。VDS也被称为“25℃下的绝对最高电压”,但是一定要记住,这个绝对电压与温度有关,而且数据表里通常有一个“VDS温度系数”。你还要明白,最高VDS是直流电压加上可能在电路里存在的任何电压尖峰和纹波。例如,如果你在电压30V并带有100mV、5ns尖峰的电源里使用30V器件,电压就会超过器件的绝对最高限值,器件可能会进入雪崩模式。在这种情况下,MOSFET的可靠性没法得到保证。

在高温下,温度系数会显著改变击穿电压。例如,一些600V电压等级的N沟道MOSFET的温度系数是正的,在接近最高结温时,温度系数会让这些MOSFET变得象650V MOSFET。很多MOSFET用户的设计规则要求10%~20%的降额因子。在一些设计里,考虑到实际的击穿电压比25℃下的额定数值要高5%~10%,会在实际设计中增加相应的有用设计裕量,对设计是很有利的。

对正确选择MOSFET同样重要的是理解在导通过程中栅源电压VGS的作用。这个电压是在给定的最大RDS(on)条件下,能够确保MOSFET完全导通的电压。这就是为什么导通电阻总是与VGS水平关联在一起的原因,而且也是只有在这个电压下才能保证器件导通。一个重要的设计结果是,你不能用比用于达到RDS(on)额定值的最低VGS还要低的电压,来使MOSFET完全导通。例如,用3.3V微控制器驱动MOSFET完全导通,你需要用在VGS= 2.5V或更低条件下能够导通的MOSFET。

导通电阻,栅极电荷,以及“优值系数”

MOSFET的导通电阻总是在一个或多个栅源电压条件下确定的。最大RDS(on)限值可以比典型数值高20%~50%。RDS(on)最大限值通常指的25℃结温下的数值,而在更高的温度下,RDS(on)可以增加30%~150%,如图1所示。由于RDS(on)随温度而变,而且不能保证最小的电阻值,根据RDS(on)来检测电流不是很准确的方法。

图1 RDS(on)在最高工作温度的30%~150%这个范围内随温度增加而增加

导通电阻对N沟道和P沟道MOSFET都是十分重要的。在开关电源中,Qg是用在开关电源里的N沟道MOSFET的关键选择标准,因为Qg会影响开关损耗。这些损耗有两个方面影响:一个是影响MOSFET导通和关闭的转换时间;另一个是每次开关过程中对栅极电容充电所需的能量。要牢记的一点是,Qg取决于栅源电压,即使用更低的Vgs可以减少开关损耗。

作为一种快速比较准备用在开关应用里MOSFET的方式,设计者经常使用一个单数公式,公式包括表示传导损耗RDS(on)及表示开关损耗的Qg:RDS(on) xQg。这个“优值系数”(FOM)总结了器件的性能,可以用典型值或最大值来比较MOSFET。要保证在器件中进行准确的比较,你需要确定用于RDS(on) 和Qg的是相同的VGS,在公示里典型值和最大值没有碰巧混在一起。较低的FOM能让你在开关应用里获得更好的性能,但是不能保证这一点。只有在实际的电路里才能获得最好的比较结果,在某些情况下可能需要针对每个MOSFET对电路进行微调。

基于不同的测试条件,大多数MOSFET在数据表里都有一个或多个的连续漏极电流。你要仔细看看数据表,搞清楚这个额定值是在指定的外壳温度下(比如TC = 25℃),或是环境温度(比如TA = 25℃)。这些数值当中哪些是最相关将取决于器件的特性和应用(见图2)。

图2 全部绝对最大电流和功率数值都是真实的数据

对于用在手持设备里的小型表面贴装器件,关联度最高的电流等级可能是在70℃环境温度下的电流,对于有散热片和强制风冷的大型设备,在TA = 25℃下的电流等级可能更接近实际情况。对于某些器件来说,管芯在其最高结温下能够处理的电流要高于封装所限定的电流水平,在一些数据表,这种“管芯限定”的电流等级是对“封装限定”电流等级的额外补充信息,可以让你了解管芯的鲁棒性。

对于连续的功率耗散也要考虑类似的情况,功耗耗散不仅取决于温度,而且取决于导通时间。设想一个器件在TA= 70℃情况下,以PD=4W连续工作10秒钟。构成“连续”时间周期的因素会根据MOSFET封装而变化,所以你要使用数据表里的标准化热瞬态阻抗图,看经过10秒、100秒或10分钟后的功率耗散是什么样的。如图3所示,这个专用器件经过10秒脉冲后的热阻系数大约是0.33,这意味着经过大约10分钟后,一旦封装达到热饱和,器件的散热能力只有1.33W而不是4W,尽管在良好冷却的情况下器件的散热能力可以达到2W左右。

图3 MOSFET在施加功率脉冲情况下的热阻

实际上,我们可以把MOSFET选型分成四个步骤。

第一步:选用N沟道还是P沟道

为设计选择正确器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道MOSFET。在典型的功率应用中,当一个MOSFET接地,而负载连接到干线电压上时,该MOSFET就构成了低压侧开关。在低压侧开关中,应采用N沟道MOSFET,这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载接地时,就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道MOSFET,这也是出于对电压驱动的考虑。

要选择适合应用的器件,必须确定驱动器件所需的电压,以及在设计中最简易执行的方法。下一步是确定所需的额定电压,或者器件所能承受的最大电压。额定电压越大,器件的成本就越高。根据实践经验,额定电压应当大于干线电压或总线电压。这样才能提供足够的保护,使MOSFET不会失效。就选择MOSFET而言,必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压,即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大电压会随温度而变化这点十分重要。设计人员必须在整个工作温度范围内测试电压的变化范围。额定电压必须有足够的余量覆盖这个变化范围,确保电路不会失效。设计工程师需要考虑的其他安全因素包括由开关电子设备(如电机或变压器)诱发的电压瞬变。不同应用的额定电压也有所不同;通常,便携式设备为20V、FPGA电源为20~30V、85~220VAC应用为450~600V。

第二步:确定额定电流 

第二步是选择MOSFET的额定电流。视电路结构而定,该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似,设计人员必须确保所选的MOSFET能承受这个额定电流,即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下,MOSFET处于稳态,此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流,只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。

选好额定电流后,还必须计算导通损耗。在实际情况下,MOSFET并不是理想的器件,因为在导电过程中会有电能损耗,这称之为导通损耗。MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻,由器件的RDS(ON)所确定,并随温度而显著变化。器件的功率耗损可由Iload2×RDS(ON)计算,由于导通电阻随温度变化,因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOSFET施加的电压VGS越高,RDS(ON)就会越小;反之RDS(ON)就会越高。对系统设计人员来说,这就是取决于系统电压而需要折中权衡的地方。对便携式设计来说,采用较低的电压比较容易(较为普遍),而对于工业设计,可采用较高的电压。注意RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升。关于RDS(ON)电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。

技术对器件的特性有着重大影响,因为有些技术在提高最大VDS时往往会使RDS(ON)增大。对于这样的技术,如果打算降低VDS和RDS(ON),那么就得增加晶片尺寸,从而增加与之配套的封装尺寸及相关的开发成本。业界现有好几种试图控制晶片尺寸增加的技术,其中最主要的是沟道和电荷平衡技术。

在沟道技术中,晶片中嵌入了一个深沟,通常是为低电压预留的,用于降低导通电阻RDS(ON)。为了减少最大VDS对RDS(ON)的影响,开发过程中采用了外延生长柱/蚀刻柱工艺。例如,飞兆半导体开发了称为SuperFET的技术,针对RDS(ON)的降低而增加了额外的制造步骤。

这种对RDS(ON)的关注十分重要,因为当标准MOSFET的击穿电压升高时,RDS(ON)会随之呈指数级增加,并且导致晶片尺寸增大。SuperFET工艺将RDS(ON)与晶片尺寸间的指数关系变成了线性关系。这样,SuperFET器件便可在小晶片尺寸,甚至在击穿电压达到600V的情况下,实现理想的低RDS(ON)。结果是晶片尺寸可减小达35%。而对于最终用户来说,这意味着封装尺寸的大幅减小。

选择MOSFET的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况,即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果,因为这个结果提供更大的安全余量,能确保系统不会失效。在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量数据;比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻,以及最大的结温。

器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积(结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散])。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散,即按定义相等于I2×RDS(ON)。由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流,因此可以计算出不同温度下的RDS(ON)。值得注意的是,在处理简单热模型时,设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量;即要求印刷电路板和封装不会立即升温。

雪崩击穿是指半导体器件上的反向电压超过最大值,并形成强电场使器件内电流增加。该电流将耗散功率,使器件的温度升高,而且有可能损坏器件。半导体公司都会对器件进行雪崩测试,计算其雪崩电压,或对器件的稳健性进行测试。计算额定雪崩电压有两种方法;一是统计法,另一是热计算。而热计算因为较为实用而得到广泛采用。不少公司都有提供其器件测试的详情,如飞兆半导体提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”( Power MOSFET Avalanche Guidelines--可以到Fairchild网站去下载)。除计算外,技术对雪崩效应也有很大影响。例如,晶片尺寸的增加会提高抗雪崩能力,最终提高器件的稳健性。对最终用户而言,这意味着要在系统中采用更大的封装件。

选择MOSFET的最后一步是决定MOSFET的开关性能。影响开关性能的参数有很多,但最重要的是栅极/漏极、栅极/ 源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损耗,因为在每次开关时都要对它们充电。MOSFET的开关速度因此被降低,器件效率也下降。为计算开关过程中器件的总损耗,设计人员必须计算开通过程中的损耗(Eon)和关闭过程中的损耗(Eoff)。MOSFET开关的总功率可用如下方程表达:Psw=(Eon+Eoff)×开关频率。而栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最大。

基于开关性能的重要性,新的技术正在不断开发以解决这个开关问题。芯片尺寸的增加会加大栅极电荷;而这会使器件尺寸增大。为了减少开关损耗,新的技术如沟道厚底氧化已经应运而生,旨在减少栅极电荷。举例说,SuperFET这种新技术就可通过降低RDS(ON)和栅极电荷(Qg),最大限度地减少传导损耗和提高开关性能。这样,MOSFET就能应对开关过程中的高速电压瞬变(dv/dt)和电流瞬变(di/dt),甚至可在更高的开关频率下可靠地工作。

版权声明:本文来源网络,版权归原作者所有。

云创硬见是国内最具特色的电子工程师社区,融合了行业资讯、社群互动、培训学习、活动交流、设计与制造分包等服务,以开放式硬件创新技术交流和培训服务为核心,连接了超过30万工程师和产业链上下游企业,聚焦电子行业的科技创新,聚合最值得关注的产业链资源, 致力于为百万工程师和创新创业型企业打造一站式公共设计与制造服务平台。

赋能中小团队,一站式硬件综合服务平台。PCB、PCBA、BOM、元器件、开发板在线下单等硬件产品方案。多名资深产品、项目经理提供专业技术支持,一站式服务产品方案到设计、生产等全链路服务。

服务对象:个体工程师、小型研发团队、小型硬件创业团队。

 对于开关电源板的维修,要在理解电源板的工作原理,正确识别电路图和实物图的基础上进行,一是在电路原理图中弄清楚整个电路的作用、电路组成、各个单元电路的关系、单元电路的工作原理;二是在电路板上找到相关电路的位置、电路元器件的实物,维修时找到测量电压和电阻的测试点,实现理论分析与维修实践的结合,在工作原理的指导下,快速准确的在电路板实物上进行检测和维修。

一 、电源板常用测试点

     对于判断电源板各个单元电路是否工作正常的测试点,要做到心中有数。一般对元器件较大、易于测量的关键点电压进行测量,判断故障范围。常见的测试点如下:

1.整个电源板的测试点

     判断整个电源板是否正常的测试点是输出连接器的各引脚电压,该电压一般直接标注在连接器的引脚旁边。

      判断副电源是否正常,测量连接器的副电源供电输出引脚电压,待机副电源输出电压正常时为5V或3. 3V。无电压输出,故障在副电源,先测量市电整流滤波后滤波电容两端的300V供电,无300V供电,检查熔丝、抗干扰电路和相关整流滤波电路;再查副电源驱动电路的启动电压,供电和启动电压正常,再检查副电源电路。

判断主电源是否正常,测量连接器的主电源供电输出引脚电压,主电源输出电压一般为12V、24V,个别电源板还有18V、5V、9V等电压输出。无电压输出,故障在主电源,先测量驱动电路VCC供电和PFC大滤波电容两端为主电源提供的370~400V供电,若无vCc供电,检查开关机VCC控制电路;370V和400V电压不正常,检查市电整流滤波和PFC电路;VCC和PFC提供的供电正常,再检查主电源电路。

      判断开关机控制电路是否正常,先测量连接器开关机控制ON/OFF或PS-ON引脚电压多为开机时高电平3~5V、待机时为低电平0V,只有少数电源板与此相反。ON/OFF或PS-ON电压正常,但开关机控制电路无VCC供电输出,再检查VCC电压整流滤波产生电路和开关机VCC控制电路。

       判断PFC电路是否正常测量PFC大滤波电容两端电压。正常时待机状态为300V,开机状态上升到370~400V;如果仅为300V,则是PFC电路未工作,先检查PFC电路VCC供电电路,再检查PFC电路;如果市电整流滤波后电压为0V、路,常见为熔丝熔断。

      液晶彩电电源板的维修方法与CTR彩电电源电路的维修方法基本相同,除了采用常见的直观检查法、电阻测量法、电压测量法、路结构和特点,还可采用以下几种方法:
    外接电压法就是将机外或机内适合需求的电压或信号,接入电源板相应的位置,为相关路供电,供电后测量开机电压和观察故障现象,判断故障所在。
     在维修开关电源时,在电源主输出端(一般为因为开关管在截止期间,为区分故障是出在负载电路还是电源本身,12V、18V或24V)加上假负载进行试机。经常需要断开负载,之所以要接假负载,
储存在开关变压器一次绕组的能量向二次侧释放,如果不接假负载,则开关变压器储存的能量无处释放,极易导致开关管击穿损坏。关于假负载的选取,一般选取(30~60W)/12V或24V的灯泡(汽车或摩托车上用)作假负载,根据灯泡是否发光和发光的亮度可知电源是否有电压输出及输出电压的高低,优点是直观方便。为了减小启动电流,也可采用30W的电烙铁作假负载或采用大功率600~1000Ω电阻。

     液晶彩电的开关电源较多地采用了带光耦合器的直接采样稳压控制电路,当输出电压高时,可采用短路法来测定故障范围。    短路检修法的应用步骤:先把光耦合器的光敏接收管的两引脚短路,相当于减小了光敏接收管的内阻,如果测主电压仍未变化,则说明故障在开关变压器的一次侧电路;反之,故障在光耦合器之前的电路。    需要说明的是,短路法应在熟悉电路的基础上有针对性地采用,不能盲目短路,以免将故障扩大。另外,从检修的安全角度考虑,短路之前应断开负载电路。

开路法就是将关键点或组件切除法。例如,对有关电路或有关组件进行开路,若故障消除,则故障就在切除的部分。例如,电源中遇到保护故障,可以断开保护检测电路与保护执行电路的连接,进行故障判断;遇到部分电路损坏又苦于没有配件时,可以切除该电路,然后给控制电路模拟一个正常信息。例如,遇到PFC部分外部控制元器件损坏时,就可以拆掉外部控制元器件,直接将控制信息传输到PFC电路,使PFC得到供电照样正常工作,一旦买到配件,尽量恢复电路原貌。

所谓串联灯泡法,就是取掉输入电路的熔丝,用一个60W/220V的灯泡串在熔丝两端。当通入交流电后,如灯泡很亮,则说明电路有短路现象。由于灯泡有一定的阻值,如60W/220V的灯泡,其阻值在通电发热后约为500Ω,所以能起到一定的限流作用。这样,一方面能直观地通过灯泡的明亮度来大致判断电路的故障;另一方面,由于灯泡的限流作用,不会立即使已有短路的电路烧坏元器件。直至排除短路故障后,灯泡的亮度自然会变暗,最后再取掉灯泡,换上熔丝。

      代换法分为元器件代换和电源板整体代换。现在液晶彩电开关电源中,一般使用一块电源控制芯片,而此类电源芯片现在已经非常便宜。因此,当怀疑控制芯片有问题时,建议使用代换法进行更换。

      当电源电路板因故无法修复时,也可采用整体代换的方法维修。代换时需挑选输出电压相同、输出电流和功率等于或大于被代换的电源板,并注意开关机电路的控制电路与新电源板匹配。另外,当选择的电源板缺少一组电压输出时,如果缺少的一组电压较低,可用较高的一组输出电压,用三端稳压器稳压后替换,以满足代换需求。

在液晶彩电电源板中,副电源为主电路板CPU控制系统提供5V供电;PFC并联开关电源电路,把全桥整流后的300V电压提高到380~400V,这部分因高电压易损坏;PWM控制主电源电路,输出5V、12V、18V、24V,这部分是功率消耗大的部分,也容易损;过电流、过电压、过热保护电路检测到故障时,迫使电源输出电压降低或停止工作。电源板主要引发的故障现象有,开机黑屏幕、无图像、无伴音,输出电压过高或过低,自动关机,花屏等。

      液晶彩电电源板常见的故障现象是,开机烧熔丝管,开机无输出、有输出但电压高或低等。由于大家对这类故障已经比较熟悉,故这里简要介绍这部分电路的检修思路。

检修时,可通过观察待机指示灯是否点亮,测量关键的电压,解除保护的方法进行维修。应首先对直流输出端的各个电压进行检测,若只有一路上的电压不正常,则检测该支路输出端上的电阻器、滤波电容器以及半导体器件即可。若各路电压都没有输出,则应检测电源电路中的开关变压器、二次侧输出滤波电容器、桥式整流堆、开关场效应管、开关集成电路、光耦合器、300V滤波电容器、熔丝管等是否损坏。

3.1 待机指示灯不亮
     测量AC 220V输入电路熔丝或大限流电阻是否熔断,如果已经熔断,说明开关电源存在严重短路故障。先测PFC输出电路大滤波电容器两端电阻是否正常,如果该电容电阻很小或为0,则说明大滤波电容器或PFC输出端主、副电源发生短路漏电故障,主要对以下电路进行检测:
 1)检查PFC输出端大滤波电容器是否击穿短路。
 2)检查副电源厚膜电路、主电源MOSFET开关管是否击穿,如果击穿,进一步检查稳压控制电路的光耦合器、误差放大器,检查开关管D极的尖峰脉冲吸收电路是否正常,避免造成厚膜电路或MOSFET开关管再次损坏。
    如果测量PFC输出端大滤波电容器两端电阻基本正常,则短路漏电故障在PFC整流管之前的电路中,主要对以下电路进行检测:
 1)检查市电输入电路压敏电阻是否击穿,检测抗干扰电路电容器是否击穿短路。
 2)检查PFC电路开关管是否击穿,如果已经击穿,进一步检查升压电感;检查驱动控制集成电路的稳压采样电路分压电阻,一是PFC输出电压采样分压电阻和市电整流滤波电压采样分压电阻,二是检查过电流保护电路的采样电阻是否连带损坏。

     如果测量熔丝未断,说明开关电源不存在严重短路故障,但指示灯不亮,则说明是副电源电路未工作,主要对以下电路进行检测:

 1)测量副电源有无电压输出。如果有5V电压输出,查电源板与控制板之间的连接器连线和主板5V负载控制系统。

 2)如果测量副电源无电压输出,首先测量厚膜电路内部或外部MOSFET开关管D极是否有300V电压。如果无300V电压,检查AC 220V市电整流滤波电路的输出端有无300V电压输出,若无300V电压输出,检查市电输入电路和整流桥是否发生开路故障;如果有300V电压输出,检查副电源变压器一次绕组是否发生开路故障。

 3)对于有启动供电的集成电路,还有检测副电源集成电路的启动电压或VCC供电电压,无启动和VCC供电电压,检查相应的启动电路和VCC供电整流滤波电路。

 4)如果300V电压和启动、VCC供电电压正常,测量副电源有无脉冲电压输出,无脉冲电压输出,故障在驱动控制集成电路或厚膜电路,否则故障在功率输出开关管或开关变压器二次侧的整流滤波电路。另外,5V的负载电路控制系统发生严重短路故障,也会造成副电源无电压输出。

      指示灯亮,说明副电源正常。可按遥控器上的“POWER”键,测电源板连接器的开关机控制引脚PS-ON电压是否为开机电平,多数电源板的开关机电压在开机状态为高电平,少数电源板的开关机电压在开机状态为低电平。

      如果开关机电压为待机电平,则故障在主电路板微处理器控制系统,做如下检查:

 1)查主板上的微处理器控制系统的5V供电电压、RST复位信号、时钟振荡信号三个工作条件。

 2)检查微处理器的I2C总线电压,如果不正常,检查相关的总线传输电路、被控电路等,测量面板矩阵按键是否有短路、漏电故障,必要时断开矩阵电路,遥控开机试试。

        如果测量开关机电压为开机电平,则故障在副电源电路,应检查如下电路:

      1) 测量主电源开关变压器的二次侧有无直流电压输出。如果开机的瞬间有电压输出,然后输出电压降为0V,说明主电源保护电路启动,重点检查过电流保护电路和过电压保护电路。

      2)如果测量主电源始终无电压输出,说明主电源未工作,测量驱动控制集成电路有无启动电压,若无启动电压,检查相关启动电路;测量驱动控制集成电路有无VCC供电,若无VCC供电,检查相关的开关机控制电路和VCC电压形成电路。

      3)测量驱动控制集成电路有无PWM驱动脉冲。有PWM驱动脉冲,故障在功率输出电路,检查MOSFET开关管、开关变压器和二次侧整流滤波电路;无PWM脉冲输出,则检查驱动控制集成电路及其外部电路,必要时更换驱动控制集成电路。

如果测量主电源的供电仅为300V,则是PFC电路未工作,会引发主电源带负载能力差的故障,严重时会引发待机状态正常,二次开机自动保护关机的故障。主要对PFC电路进行检测:

    1)测量PFC电路有无VCC供电,若无VCC供电,检查开关机控制电路与VCC相关的控制电路和VCC供电产生电路。

    2)测量PFC校正电路有无激励脉冲输出,若无激励脉冲输出,检查驱动集成电路及其外部电路,有激励脉冲输出,检查输出电路MOSFET开关管和储能电感、PFC整流滤波电路。

3.3 输出电压过高/过低

       直流输出、采样电阻、误差取样放大器(如TL431)、光耦合器、电源控制芯片等电路共同构成了一个闭合的控制环路,在这一环节中,任何一处出问题都会导致输出电压升高或降低。

       如果测量电源板输出电压过高,对于有过电压保护电路的电源,输出电压过高首先会使过电压保护电路工作。此时,可断开过电压保护电路,使过电压保护电路不起作用,测开机瞬间的电源主电压。如果测量值比正常值高出1V以上,说明输出电压过高。实际维修中,以采样电阻变值、精密稳压放大器或光耦合器不良为常见。

       如果测量输出电压过低,根据维修经验,除稳压控制电路会引起输出电压过低外,还有其他一些原因会引起输出电压过低。主要有以下几点:

   1)开关电源负载有短路故障(特别是DC-DC变换器短路或性能不良等)。此时,应断开开关电源电路的所有负载,以区分是开关电源电路不良还是负载电路有故障。若断开负载电路后电压输出正常,说明是负载过重;若仍不正常,说明开关电源电路有故障。

   2)输出电压端整流二极管、滤波电容失效等,可以通过代换法进行判断。

   3)开关管的性能下降,必然导致开关管不能正常导通,使电源的内阻增加,带负载能力下降。

   4)开关变压器不良不但会造成输出电压下降,还会造成开关管激励不足从而屡损开关管。

   5) 300V滤波电容不良或PFC电路不工作,造成主电源供电过低,电源带负载能力差,一接负载输出电压便下降,甚至造成欠电压或过电流保护电路启动。

3.4  屏幕上有杂波干扰或花屏

      液晶电视机屏幕上有杂波干扰或花屏的主要原因:电源板二次侧输出滤波电容器漏电,造成主信号处理和控制电路板供电不足,供电电压低、电流小,主信号处理和控制电路板不能够完全地正常工作,输出的信号不正常,最终造成图像还原不正常,引起花屏的现象。

      维修时,主要对电源板各路输出电压进行检测,哪一路输出电压不足,对该路整流滤波电路元器件进行检测,特别是检查滤波电容器是否失效漏电,检查整流二极管正向电阻是否增大。

 液晶彩电电源板往往设有完善的保护电路,当开关电源发生过电压、过电流故障时,多会引起保护电路启动,进入保护状态,开关电源停止工作,看不到真实的故障现象,给维修造成困难。维修时,可采取测量关键点电压,判断是否保护和解除保护,观察故障现象的方法进行维修。

  1.根据故障现象,判断是否保护

      如果开机的瞬间,开关电源启动,并在开关电源变压器的二次侧有电压输出,几秒后开关电源停止工作,输出电压降到0V,多为保护电路启动所致。

  2.测量关键点电压,判断哪路保护

      在开机的瞬间,测量保护电压翻转电路或保护执行电路的关键点电压,如晶闸管的G极电压或晶体管的B极电压,多数保护电路晶闸管的G极电压或晶体管的B极电压正常时为低电平0V。如果开机时或发生故障时,G极电压或B极电压变为高电平0. 7V以上,则是保护电路启动。

     当保护执行电路的输入端,设有两路以上故障检测电路时,如果每路检测电路设有隔离二极管,则在开机后保护前的瞬间,测量隔离二极管的正极电压,哪个隔离二极管的正极为高电平,则是该二极管相关的保护检测电路引起的保护。

3.解除保护,观察故障现象

      确定保护之后,可采解除保护的方法,开机测量开关电源输出电压和负载电流,观察故障现象,确定故障部位。为了防止开关电源输出电压过高,引起负载电路损坏,建议先接假负载测量开关电源输出电压,在输出电压正常时,再连接负载电路。

      全部解除保护:将保护执行电路晶闸管的G极或晶体管的B极对地短路或将晶闸管或晶体管拆除,即可解除保护,开机观察故障现象。

      逐路解除保护:对于晶闸管或晶体管的B极外部接有两路以上保护检测电路的,可逐个断开保护检测电路与保护执行电路之间的隔离二极管、隔离电阻等连接电路。每断开或解除一路保护检测电路的隔离二极管,进行一次开机实验,如果断开哪路保护检测电路的隔离二极管后,开机不再保护,则是该电压过高引起的保护。

      如果解除保护后,液晶彩电工作正常,电源板输出电压正常,则是保护电路检测元器件发生变质、漏电故障,多为保护采样电路的分压电阻变质,过电压保护稳压二极管漏电,电压翻转电路的晶体管或晶闸管损坏等;否则是相关稳压电路、负载电路发生故障。

    由于电源板与市电输入直接相连接,维修中一旦人体不小心碰到一次侧电路,就会发生触电事故;另外采用示波器测量波形时,如果接地或测试点弄错,还会烧坏示波器,因此建议使用1:1的隔离变压器进行维修,如果有调压功能的隔离变压器更好,可通过电压的调整,测试电源板的电压适用范围。

2.注意对大电容器放电

     注意停电后进行电阻测量时,将大电容器放电。维修无输出的开关电源,通电后再断电,由于电源不振荡,300V滤波电容两端的电压放电会极其缓慢。此时,如果要用万用表的电阻挡测量电源,应先对300V滤波电容两端的电压进行放电,可用一大功率的几百欧电阻进行放电,也可将电烙铁的插头两端代替电阻进行放电,然后才能测量,否则不但会损坏万用表,还会危及维修人员的安全。

    测量开关电源电路的电压,要选好参考电位,因为开关变压器一次侧之前的地为热地,而开关变压器之后的地为冷地,两者不等电位,不能接错,否则测量的电压和电阻不正确。

我要回帖

更多关于 集成电路里面怎么加入电阻,电容的 的文章

 

随机推荐