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安森美半导体 Tom Zemites Han Zhou
摘要：安森美半导体最近推出的gCool功率MOSFET系列，结合其领先的沟道式FET技术与高效散热紧凑型WDFN6封装设计。本文将集中讨i4~gCool系列的散热性能，并就几种典型应用来谈论。
关键词：功率MOSFET；散热；封装
由手机、掌上电脑和数码相机驱动的手持电子行业经常面临着两难境地。一方面，新手持设备中各种功能的部署，如个人数字助理、百万像素相机、高清晰度液晶显示屏、移动电视等，要求有强大的电源；另一方面，纤巧的外形为半导体元件的设计平添了更多空间限制和更大挑战。功率MOSFET也面临着同样的挑战。手持设备几乎处处使用MOSFET作为充电装置、负载开关、直流一直流转换器、保护与信号转换，因此，MOSFET的封装必然日益缩小。利用集成了功率MOSFET的电源管理Ic(PMIC)可解决部分问题，但就可靠性、成本削减和设计速度而言，集成的单芯片解决方案在多种情况下无法经常取代分立功率MOSFET。此外，便携／手持设备中功率MOSFET是否出色取决于它能否在启动后实瑚低电阻、能否高效散热、快速转换并以低启动电压适应电池低电源等。
设计人员为便携产品寻找最合适的功率MOSFET转换器件时首先需了解转换器的额定功率。由于硅核的最大结温取决于硅材料(通常为固定材料)，器件的额定功率在很大程度上与封装的散热性能相关。图1a中所示的传统鸥翼式封装中，硅核置于引脚框下方。硅核产生的热量沿引脚框流出，最终到达电脑主板。在扁平引脚封装中，硅核置于引脚框上，硅核与PCB之间的散热通路比鸥翼式封装中要短，因而其散热性能优于鸥翼式封装约10％。如图1b中所示，gCool系列所采用的WDFN(无引脚的薄体扁平封装)封装，可允许给定的封装尺寸具备较大的硅核体积，因为散热垫外露的引脚框上可供更大硅核放置。散热垫较大，这使PCB散热片的散热通道达到最短。此封装支持较大硅核的集成(致使RDS(0N)性能更低)，同时提供了较传统鸥翼式与薄体扁平型封装更出色的散热性能。
为进一步了解这一区别，我们来比较一种常见于便携产品的2x2mm鸥翼式SC88封装以及另一种2x2mrnCoolWDFN6封装的散热性能。它们的3－D横截面图(环氧已移除)如图2所示。
在如下测试条件下执行模拟，评估两器件的散热性能：
600111I／12FR4板；
20z铜厚度；
Pd=700mW
MOSFET的硅核大小和活化范围相同。
10秒钟后，测得二者的峰值温度和热阻抗。WDFN 2x 2mm封装的峰值温度仅为56．3℃；而SC88 2x2mm鸥翼式封装的峰值温度则达126．6℃。WDFN2x2mm封装的热阻为44℃／W，而SC88的热阻为145℃／W(见图3和图4)。
WDFN2x2mm封装出色的散热特性对锂离子电池充电电路及其他线性模式直流一直流转换器的设计发挥着重要的作用。简单的充电解决方案是将一个MOSFET和一个肖特基二极管封装在一起，如采用WDFN 2 x 2toni封装的uool NTLJF31 17P。图5所示为一个典型的充电电路采用了I．tCool NTLJF3117P器件作为传递元件。该器件以正常方式布局，高电流可平稳地流过平板。电路从5V的壁式充电器运行。如图所示，充电电流同时流经MOSFET和肖特基二极管。
手机充电电路通常需要提供高达700mA的电流，给一节4．2V的锂离子电池充电。充电常见曲线图如图6所示。全放电锂离子电池的起始电压通常为2．5 V-2．8V。在涓流充电阶段，它升至电池充电最低电压值，通常为3．2V。涓流充电阶段(阶段1)后，充电器转换到恒流模式(阶段2)。最后为恒压充电阶段，在这个阶段内，电流缓慢降低，直至电池满充或充电时间结束。在恒流充电阶段，MOSFET线性转换将快速达到峰值温度，这是由输入电压和电池低电压之间的大幅电压差造成(图6中红色曲线显示了温度变化)。因此，选用具备良好散热性能的MOSFET对于此类设计至关重要。
让我们从以下例子了解锂离子电池充电电路对MOSFET的散热要求。通常选用0．20hm的感应电阻器来进行充电电流监控。肖特基二极管的正向电压由电流决定。电流为700mA时，二极管正向电压低于0．5V。肖特基二极管的正向电压随温度降低而降低。因此，充电过程中肖特基二极管的功耗将始终低于700mA×0．5V=0．35W。
在恒流充电阶段，MOSFET的最大功率可按以下公式计算得出，为Pd=(Vin-Vbatt—Vrsns)×Ich-Pschottky=(5-3．2-0．14)×0．7-0．35=0．81W．每平方英寸1oz厚铜质板的WDFN2x2mm封装运行热阻为92℃/w。
当MOSFET最大结温为125℃时，环境温度TA可以根据以下公式计算得出：TA=Tjmax－△T=Tjmax-Pd×Rthja=125℃－0．81w×92℃／W=50．5℃。这表明该器件可在大部分环境中工作，在温度很高的环境中亦是如此。
为其他封装(如SC88或TSOP6)也执行相同计算。假定SC88的热阻为SC88410℃／W，或TSOP6封装器件的热阻为130℃／W，很易看出传统的鸥翼式封装无法满足最低温度的要求。由此换来的是充电电流的降低，这将造成烦人的长时间充电。
为确保在所有条件下也有出色的散热性能，WDFN器件需与电脑主板良好焊接，以保证最佳的散热效果。不当安装器件将导致高热阻，及降低能效。
在WDFN6 2x2mm封装器件中采用gCool器件的充电应用示例表明了MOSFET器件采用WDFN 2x2mnl封装技术的原因与优势。总之，需要增强散热性能时，WDFN 2x2mm封装的器件在很多情况下都可替代更大的鸥翼式封装与扁平引脚封装器件。
摘要：安森美半导体最近推出的gCool功率MOSFET系列，结合其领先的沟道式FET技术与高效散热紧凑型WDFN6封装设计。本文将集中讨i4~gCool系列的散热性能，并就几种典型应用来谈论。
关键词：功率MOSFET；散热；封装
由手机、掌上电脑和数码相机驱动的手持电子行业经常面临着两难境地。一方面，新手持设备中各种功能的部署，如个人数字助理、百万像素相机、高清晰度液晶显示屏、移动电视等，要求有强大的电源；另一方面，纤巧的外形为半导体元件的设计平添了更多空间限制和更大挑战。功率MOSFET也面临着同样的挑战。手持设备几乎处处使用MOSFET作为充电装置、负载开关、直流一直流转换器、保护与信号转换，因此，MOSFET的封装必然日益缩小。利用集成了功率MOSFET的电源管理Ic(PMIC)可解决部分问题，但就可靠性、成本削减和设计速度而言，集成的单芯片解决方案在多种情况下无法经常取代分立功率MOSFET。此外，便携／手持设备中功率MOSFET是否出色取决于它能否在启动后实瑚低电阻、能否高效散热、快速转换并以低启动电压适应电池低电源等。
设计人员为便携产品寻找最合适的功率MOSFET转换器件时首先需了解转换器的额定功率。由于硅核的最大结温取决于硅材料(通常为固定材料)，器件的额定功率在很大程度上与封装的散热性能相关。图1a中所示的传统鸥翼式封装中，硅核置于引脚框下方。硅核产生的热量沿引脚框流出，最终到达电脑主板。在扁平引脚封装中，硅核置于引脚框上，硅核与PCB之间的散热通路比鸥翼式封装中要短，因而其散热性能优于鸥翼式封装约10％。如图1b中所示，gCool系列所采用的WDFN(无引脚的薄体扁平封装)封装，可允许给定的封装尺寸具备较大的硅核体积，因为散热垫外露的引脚框上可供更大硅核放置。散热垫较大，这使PCB散热片的散热通道达到最短。此封装支持较大硅核的集成(致使RDS(0N)性能更低)，同时提供了较传统鸥翼式与薄体扁平型封装更出色的散热性能。
为进一步了解这一区别，我们来比较一种常见于便携产品的2x2mm鸥翼式SC88封装以及另一种2x2mrnCoolWDFN6封装的散热性能。它们的3－D横截面图(环氧已移除)如图2所示。
在如下测试条件下执行模拟，评估两器件的散热性能：
600111I／12FR4板；
20z铜厚度；
Pd=700mW
MOSFET的硅核大小和活化范围相同。
10秒钟后，测得二者的峰值温度和热阻抗。WDFN 2x 2mm封装的峰值温度仅为56．3℃；而SC88 2x2mm鸥翼式封装的峰值温度则达126．6℃。WDFN2x2mm封装的热阻为44℃／W，而SC88的热阻为145℃／W(见图3和图4)。
WDFN2x2mm封装出色的散热特性对锂离子电池充电电路及其他线性模式直流一直流转换器的设计发挥着重要的作用。简单的充电解决方案是将一个MOSFET和一个肖特基二极管封装在一起，如采用WDFN 2 x 2toni封装的uool NTLJF31 17P。图5所示为一个典型的充电电路采用了I．tCool NTLJF3117P器件作为传递元件。该器件以正常方式布局，高电流可平稳地流过平板。电路从5V的壁式充电器运行。如图所示，充电电流同时流经MOSFET和肖特基二极管。
手机充电电路通常需要提供高达700mA的电流，给一节4．2V的锂离子电池充电。充电常见曲线图如图6所示。全放电锂离子电池的起始电压通常为2．5 V-2．8V。在涓流充电阶段，它升至电池充电最低电压值，通常为3．2V。涓流充电阶段(阶段1)后，充电器转换到恒流模式(阶段2)。最后为恒压充电阶段，在这个阶段内，电流缓慢降低，直至电池满充或充电时间结束。在恒流充电阶段，MOSFET线性转换将快速达到峰值温度，这是由输入电压和电池低电压之间的大幅电压差造成(图6中红色曲线显示了温度变化)。因此，选用具备良好散热性能的MOSFET对于此类设计至关重要。
让我们从以下例子了解锂离子电池充电电路对MOSFET的散热要求。通常选用0．20hm的感应电阻器来进行充电电流监控。肖特基二极管的正向电压由电流决定。电流为700mA时，二极管正向电压低于0．5V。肖特基二极管的正向电压随温度降低而降低。因此，充电过程中肖特基二极管的功耗将始终低于700mA×0．5V=0．35W。
在恒流充电阶段，MOSFET的最大功率可按以下公式计算得出，为Pd=(Vin-Vbatt—Vrsns)×Ich-Pschottky=(5-3．2-0．14)×0．7-0．35=0．81W．每平方英寸1oz厚铜质板的WDFN2x2mm封装运行热阻为92℃/w。
当MOSFET最大结温为125℃时，环境温度TA可以根据以下公式计算得出：TA=Tjmax－△T=Tjmax-Pd×Rthja=125℃－0．81w×92℃／W=50．5℃。这表明该器件可在大部分环境中工作，在温度很高的环境中亦是如此。
为其他封装(如SC88或TSOP6)也执行相同计算。假定SC88的热阻为SC88410℃／W，或TSOP6封装器件的热阻为130℃／W，很易看出传统的鸥翼式封装无法满足最低温度的要求。由此换来的是充电电流的降低，这将造成烦人的长时间充电。
为确保在所有条件下也有出色的散热性能，WDFN器件需与电脑主板良好焊接，以保证最佳的散热效果。不当安装器件将导致高热阻，及降低能效。
在WDFN6 2x2mm封装器件中采用gCool器件的充电应用示例表明了MOSFET器件采用WDFN 2x2mnl封装技术的原因与优势。总之，需要增强散热性能时，WDFN 2x2mm封装的器件在很多情况下都可替代更大的鸥翼式封装与扁平引脚封装器件。