功率MOSFET的常見封裝與布局配置

柵極驅(qū)動(dòng)器和功率 MOSFET 的放置對(duì)于前置驅(qū)動(dòng)器電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案的正確運(yùn)行和性能優(yōu)化至關(guān)重要。對(duì)于具有集成 MOSFET 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，例如 DRV8870、DRV8313、DRV10987、DRV10983-Q1和DRV8873-Q1，在內(nèi)部已完成了正確布線。對(duì)于DRV8701，DRV8304、DRV8306、DRV8323、DRV8343-Q1 和 DRV8353 等柵極驅(qū)動(dòng)器，仔細(xì)規(guī)劃 PCB 的布局和功率 MOSFET 的放置方式非常重要。以下部分將介紹一些常見的 MOSFET 拓?fù)?，并展示一些使用常見電機(jī)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的基本布局示例。

功率 MOSFET 的常見封裝

本部分將介紹N通道功率 MOSFET 的一些常見封裝類型。大多數(shù)功率 MOSFET具有這四種選項(xiàng)之一。通過了解封裝類型、尺寸和引腳排列，能夠更好地設(shè)計(jì) PCB 以構(gòu)建出色的解決方案。圖 6-1中的符號(hào)代表了一個(gè) N 通道功率MOSFET。雖然MOSFET 是具有源極、柵極、漏極和襯底的四端子器件，但襯底端子通常是源極端子。

MOSFET 封裝與功率級(jí)和熱耗散之間有著直接關(guān)系。不同的封裝有不同的布線規(guī)則。

DPAK

圖 6-2所示的 DPAK (SOT-252) 封裝是業(yè)內(nèi)常用的封裝之一。該封裝在尺寸和性能之間進(jìn)行了折衷。DPAK 封裝通常用于高功率MOSFET和穩(wěn)壓器。

D2PAK

D2PAK (SOT-252) 封裝（請(qǐng)參閱圖 6-3）是 DPAK 封裝的更大版本，具備更好的散熱效能。

TO-220

TO-220 封裝（請(qǐng)參閱圖 6-4）是一種穿孔的 MOSFET 封裝?？墒褂弥绷㈡i片來安裝散熱器。使用這種封裝的缺點(diǎn)是它需要更多的空間，通常比表面貼裝封裝（例如 DPAK 和 D2PAK 封裝）更高。

8 引腳 SON

8 引腳 SON 封裝（請(qǐng)參閱圖 6-5）是常見的無引線封裝，可實(shí)現(xiàn)布板空間超小且性能出色的解決方案。大多數(shù)引線式封裝具有類似的引腳排列。與引線式封裝（TO-252 和 TO-220）相比，8 引腳 SON 封裝別具一格，因?yàn)槠鋿艠O引腳位于相反的一側(cè)。

MOSFET 布局配置

圖 6-6 和圖 6-7 展示了以下兩種典型配置的常見 MOSFET 的放置和布局方式：分別為半橋堆疊和半橋并排，適用于引線式封裝和無引線封裝。

這些半橋布局可重復(fù)用于多種半橋拓?fù)?，包?H 橋（兩個(gè)半橋）、逆變器（三個(gè)半橋）和雙 H 橋（四個(gè)半橋）。

功率級(jí)布局設(shè)計(jì)

為功率 MOSFET 選擇正確的放置方式后，下一步是確保布線正確。MOSFET 用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的大功率開關(guān)應(yīng)用，因此該設(shè)計(jì)對(duì)非理想布局引起的寄生效應(yīng)很敏感。本部分將介紹一些需要布線的重要信號(hào)以及管理它們的最佳實(shí)踐。圖 6-8 展示了功率級(jí)。

開關(guān)節(jié)點(diǎn)

如圖 6-10 所示，開關(guān)節(jié)點(diǎn)是高側(cè) MOSFET 的源極引腳和低側(cè) MOSFET 的漏極引腳之間的連接。該節(jié)點(diǎn)是最終連接到負(fù)載（在此應(yīng)用中是一個(gè)電機(jī)）的網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)樵摼W(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)具有高頻、大電流特性，開關(guān)節(jié)點(diǎn)是半橋配置中需要布線的關(guān)鍵信號(hào)。圖 6-8 中所示電路具有許多由 PCB 和功率 MOSFET 引起的非理想寄生效應(yīng)。圖 6-9 展示了這些主要寄生效應(yīng)中的一部分，它們是引發(fā)“開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴”現(xiàn)象的主要原因。

開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴是開關(guān)節(jié)點(diǎn)上由于 PCB 和功率 MOSFET 的寄生效應(yīng)而產(chǎn)生的 LC 振蕩。開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴會(huì)導(dǎo)致 EMI 并產(chǎn)生過沖和下沖電壓，這些值會(huì)超出 MOSFET 漏源電壓和柵極驅(qū)動(dòng)器引腳的絕對(duì)最大額定值。此外，還會(huì)降低功率級(jí)的效率?？赏ㄟ^外部措施和系統(tǒng)調(diào)整（降低壓擺率、使用外部緩沖器等）來解決開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴問題，但基本合理的布局可以解決許多這樣的主要問題。圖 6-10 的布局示例中顯示的設(shè)計(jì)可最大限度地降低高側(cè) MOSFET 的源極與低側(cè) MOSFET 的漏極之間的電感。較好的做法是盡可能縮短覆銅平面連接的長(zhǎng)度并增加其寬度，并且采用具有極小寄生電感的 MOSFET 封裝。

大電流環(huán)路路徑

電機(jī)應(yīng)用依賴于大開關(guān)電流，因此最大限度地降低大電流路徑的整體環(huán)路電感至關(guān)重要。最大限度地降低該電感可將電壓紋波和噪聲盡可能降低，并可減少對(duì)額外旁路電容的需求。在電機(jī)系統(tǒng)中，大電流環(huán)路從電源的正極開始，經(jīng)過高側(cè)功率 MOSFET、電機(jī)繞組、低側(cè) MOSFET，再回到電源的負(fù)極。圖 6-11在H橋示例中展示了這種流向。

應(yīng)通過執(zhí)行以下操作來最大限度地縮短大電流環(huán)路路徑：?

? 對(duì)完整的大電流環(huán)路使用正確的布線寬度。增加布線寬度會(huì)降低寄生電感。?

? 通過正確放置來盡量減小元件之間的距離。減小布線長(zhǎng)度會(huì)降低寄生電感。

? 最大限度地減少大電流路徑中的跳層次數(shù)，并在通過大電流布線進(jìn)行跳層時(shí)使用正確的過孔尺寸和數(shù)量。?

圖 6-12 所示為經(jīng)優(yōu)化的大電流環(huán)路示例布局。

VDRAIN 感測(cè)引腳

VDRAIN 引腳用于感測(cè)高側(cè) MOSFET 漏極電壓。具有VDRAIN引腳的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件必須在布線時(shí)考慮盡可能改善性能。供電電壓首先進(jìn)入高側(cè) MOSFET 的漏極，因此 VDRAIN 引腳的布線對(duì)布局至關(guān)重要。VDRAIN 引腳為電源 (VM) 提供開爾文連接，因此可在發(fā)生過流事件時(shí)監(jiān)測(cè)高側(cè) MOSFET的VDS 電壓（請(qǐng)參閱圖 6-13）。功率級(jí)中的VM連接通常包含大型覆銅平面和寬布線以支持所需的電流，因此平面的額外電感和電壓降會(huì)影響 VDS 測(cè)量精度。所以，應(yīng)將 VDRAIN 引腳以單一布線的形式直接連接到外部功率 MOSFET 的漏極。TI 建議使用靠近漏極的網(wǎng)帶連接組件來最大限度地減小會(huì)導(dǎo)致誤報(bào) OCP 故障的額外電感（請(qǐng)參閱圖 6-14）。

　　審核編輯：湯梓紅