MOS管热阻、输入输出电容、开关时间分析-KIA MOS管

打开一个MOS管的SPEC，会有很多电气参数，本文分析一下热阻、电容和开关时间。

热阻，英文Thermal resistance，指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值，单位是℃/W或者是K/W。

半导体散热的三个途径，封装顶部到空气，封装底部到电路板，封装引脚到电路板。

结到空气环境的热阻用ThetaJA表示，ThetaJA = (Tj-Ta)/P

其中Tj为芯片结温，Ta为芯片环境温度，如下图所示。

还有一些其他的热阻参数如下：

ThetaJC=(Tj-Tc)/P，结到封装外壳的热阻，一般而言是到封装顶部的热阻，所以一般的，ThetaJC=ThetaJT

ThetaJB=(Tj-Tb)/P，结到PCB的热阻。

ThetaJA参数综合了Die的大小, 封装方式，填充材料，封装材料，引脚设计，外部散热片和外部电路板的属性多个因素，综合来讲ThetaJA和用的器件以及PCB设计有关。ThetaJC和ThetaJB这2个参数是表征芯片和封装本身的，不会随着芯片封装外部环境的改变而改变。

热阻和以下几个参数比较紧密相关。

Power dissipation：功率损耗，指的是NMOS消耗功率不能超过150mW，否则可能损坏MOS管。

Junction temperature：结温，结面温度，指的是NMOS最高结温不能超过150℃。

Thermal resistance：如下的833℃/W指的是NMOS结面相对于环境温度的热阻是833℃/W，假如器件消耗的功率是1W，那温升就是833℃。

当NMOS工作在最大功率150mW，那NMOS结到空气的温度就是：150/1000*833≈125℃，芯片结温就是125+25=150℃。

再看一下MOS管的电容。

输入电容Ciss，指的是DS短接，用交流信号测得的GS之间的电容，Ciss由GS电容和GD电容并联而成，即Ciss=Cgs+Cgd，当输入电容充电至阈值电压，MOS管才打开，放电至一定的值，MOS管才关闭，所以Ciss和MOS管的开启关闭时间有很大的关系。

输出电容Coss，指的是GS短接，用交流信号测得的DS之间的电容，Coss由GD电容和DS电容并联而成，即Coss=Cgd+Cds

反向传输电容Crss，指的是S接地，GD之间的电容，即Crss=Cgd

MOS管关闭下，Cgs要比Cgd大得多，Cgd=1.7pF，那Cgs=7.1-1.7=5.4pF。

从SPEC给的图看，3个电容的大小和DS电压有很大关系，尤其是Coss和Crss

有的一些MOS管SPEC中还有如下的Qg、Qgs、Ggd，指的是充满这些电容所需要的电荷数，所需要的充电电荷数越少，MOS管开关速度就越快。

MOS管关闭下，Cgs要比Cgd大的多，但是发现Qgd比Qgs大得多，这是受到米勒电容的影响。

结合一下图片理解MOS管的开关时间。

最左边绿色部分，ID和UD几乎不变，因为这时候UGS没有上升到阈值电压，MOS管是关闭状态，把UGS从0增大到阈值电压前这段时间叫Turn-on delay time。

紧接着紫色部分，当UGS上升到阈值电压后，随着UGS再继续增大，ID也逐渐增大，UD逐渐减小，直到ID到最大值，UD到最小值，这段时间叫Rise time。

同理，MOS管在关闭时，UGS没有下降到阈值电压，ID和UD都是不变的，把UGS下降到阈值电压前这段时间叫Turn-off delay time。

随着UGS逐渐减小，ID减小到最小值，UD增大到最大值，这段时间叫Fall time。

那为什么要了解MOS管的电容和开关时间呢？当MOS管用在对开关速度有要求的电路中，可能会因为MOS管的开关时间过慢，导致通信失败。

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