負(fù)載開關(guān)的應(yīng)用如何選擇 MOSFET器件

MOSFET 被用作負(fù)載開關(guān)的次數(shù)超過了在任何其他應(yīng)用中的使用量，一次數(shù)量為數(shù)億個(gè)。我可能應(yīng)該從我在這里定義“負(fù)載開關(guān)”的確切方式開始。為了這篇文章的緣故，考慮負(fù)載開關(guān)任何小信號(hào) FET，其在系統(tǒng)中的唯一功能是將一些低電流 (<1A) 信號(hào)傳遞（或阻止）到另一個(gè)電路板組件。電池保護(hù) MOSFET 具有非常相似的功能，但代表了負(fù)載開關(guān)應(yīng)用的一個(gè)獨(dú)特子集，它們也可以承載更高的電流。

我們的應(yīng)用團(tuán)隊(duì)對(duì)負(fù)載開關(guān) FET 有一個(gè)詞——“小精靈灰塵”——來描述在大部分設(shè)計(jì)完成后它們可以“灑”在系統(tǒng)上的一種普遍存在的方式。這或許對(duì)這些小型發(fā)電廠造成了傷害，因?yàn)樗鼈兺ǔＲ彩菍㈦娮酉到y(tǒng)連接在一起的粘合劑。

這些設(shè)備攜帶的小信號(hào)一般在幾百毫安左右，理論上沒有理由不能集成功能。然而，定制集成電路 (IC) 的成本可能更高，因此一旦設(shè)計(jì)完成，實(shí)施其中一些小信號(hào) FET 比請(qǐng)求或重新設(shè)計(jì)定制 IC 更容易。鑒于此，這些設(shè)備通常有兩個(gè)基本要求：價(jià)格便宜且體積小。這些要求中哪一個(gè)是最關(guān)鍵的，將決定哪種類型的 MOSFET 最適合我們的設(shè)計(jì)。

如果成本是最重要的因素，小外形晶體管 (SOT) 系列（SOT-23、SOT-26、SOT-323、SOT-523）等小型封裝將是最可取的選擇。這些器件的 PCB 占位面積從 2.6mm 2到 10mm 2，導(dǎo)通電阻在幾百毫歐到幾歐姆的范圍內(nèi)，并且可以處理高達(dá)大約半安培的電流（取決于電阻）。它們由大的突出引線和有點(diǎn)笨重的封裝組成（參見圖 1）。雖然一些工業(yè)設(shè)計(jì)人員更喜歡外部引線，因?yàn)樗鼈兛梢詫?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的電路板安裝，并且可以輕松地對(duì)焊接連接進(jìn)行目視檢查，但這些 FET 的最大吸引力在于它們的低成本（想想一分錢或更少）。我應(yīng)該指出，TI 確實(shí)沒有提供這些封裝中的 MOSFET 產(chǎn)品，也沒有打算在這個(gè)商品化空間中發(fā)揮作用。 

圖 1：幾個(gè) SOT 封裝（未按比例繪制）

另一方面，如果減少許多外來小信號(hào)晶體管占用的 PCB 空間是最大的擔(dān)憂，那么更好的解決方案是裸芯片芯片級(jí)封裝 (CSP) 或焊盤網(wǎng)格陣列 (LGA) 器件。TI 提供多種此類器件，其中最受歡迎的是我們的FemtoFET 產(chǎn)品線（圖 2）。這些器件具有超小尺寸，可提供小至 0.5 毫米以下的尺寸選擇2. 這種微小的外形尺寸不可避免地意味著通過 PCB 的結(jié)到環(huán)境的熱阻抗很高。然而，由于電阻可能比更大尺寸的 SOIC 封裝器件小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此減少的傳導(dǎo)損耗足以彌補(bǔ)熱阻抗的輕微增加，在某些情況下實(shí)現(xiàn)更高的電流處理能力大于1A。

圖 2：三種不同的 FemtoFET 封裝產(chǎn)品（未按比例繪制）

在選擇上述哪條道路之前，我提供兩個(gè)最后的警告。首先是在使用 FemtoFET（或其他一些超小型設(shè)備）之前，我們應(yīng)該檢查我們的 PCB 制造能力。一些工業(yè)制造工藝更喜歡安裝焊盤之間的更大間距（因此更喜歡 SOT 器件）。其他廠商可以處理低至 0.5 毫米的間距（如 F5 FemtoFET 系列），而個(gè)人電子制造商通?？梢蕴幚淼椭?0.35 毫米的間距（由 F4 和 F3 FemtoFET 封裝支持）。

我之前已經(jīng)詳細(xì)討論過電流額定值，但是由于負(fù)載開關(guān)的唯一目的是承載小電流，因此值得再重新討論一次。像往常一樣，最好的做法是忽略首頁的電流額定值，而是從我們認(rèn)為系統(tǒng)允許 FET 耗散的功率損耗倒退。

大多數(shù)數(shù)據(jù)表將為最小和最大銅 (Cu) PCB 方案提供結(jié)到環(huán)境熱阻抗 (R θJA )。使用最小 Cu 作為最壞情況是最安全的選擇，但如果我們知道端板尺寸，我們可以嘗試在數(shù)據(jù)表中提供的最小和最大 Cu 阻抗之間插入 R θJA 。然后，使用下面的公式 1，并了解終端設(shè)備的最壞環(huán)境環(huán)境，我們可以計(jì)算 FET 可以處理多少功率，以及電流：

負(fù)載開關(guān)應(yīng)用程序的一個(gè)好處是設(shè)備可以打開或關(guān)閉。因此——與我在本系列中討論過的所有其他應(yīng)用不同——所有的功率損耗都是由傳導(dǎo)損耗（I 2 R）引起的。

最后，如果我沒有提到 TI 在基本分立 FET 和更復(fù)雜的 PMIC 之間提供了一系列集成負(fù)載開關(guān)解決方案，那我將是失職，我們可以在此處了解更多信息。這篇文章專門針對(duì)那些分立 FET 可以充分滿足我們的設(shè)計(jì)需求但最終我們的設(shè)計(jì)應(yīng)該選擇最合適的集成級(jí)別的應(yīng)用。