发布时间：2021-12-10 阅读量：1307 来源: 我爱方案网 作者: 我爱方案网整理
工程师在设计一款产品时用了一颗9A的MOS管，量产后发现坏品率偏高，经重新计算后，换成5A的MOS管，问题就解决了。为什么使用电流裕量更小的MOS管，产品可靠性却提高了呢？本文将从器件的结温角度跟你说说产品的可靠性。
工程师在设计的过程中非常注意元器件性能上的裕量，却很容易忽视热耗散设计，案例分析我们放到最后说，为了帮助理解，我们先引入一个公式：
其中Tc为芯片的外壳温度，PD为芯片在该环境中的耗散功率，Tj表示芯片的结点温度，目前大多数芯片的结点温度为150℃，Rjc表示芯片内部至外壳的热阻，Rcs表示外壳至散热片的热阻，Rsa表示散热片到空气的热阻，一般功率器件用Rjc进行计算即可。
图1 功率器件热阻分布示意图
举个例子来说，大家常用的S8050在25℃（Tc）的最大耗散功率是0．625W，额定电流为0．5A，最高结点温度为150℃，此代入公式有：
从上面公式可以推算出Rja为200℃／W（Rja表示结点到空气的热阻）。
假设芯片壳温（Tc）为55℃，热耗散功率有0．5W时，此刻芯片结点温度为：Tj＝Tc＋PD＊Rjc代入得到155℃，已经超过了最高结温150℃了。故需要降额使用，然而降额曲线在数据手册中并未标注，所以小编只能自行计算。
在25℃（Tc）时有公式：
恒成立。
把线性降额因子设为F，则在任意温度时有：
代入已知参数得到F＞5mW／℃。一般为了满足裕量要求，降额因子往往取得更大才能满足可靠性设计要求。
由于小晶体管和芯片是不带散热器的，这时就要考虑壳体到空气之间的热阻。一般数据手册会给出Rja（结到环境之间的热阻）。那么三极管S8050，其最大功率0．625W是在其壳温25℃时取得的。倘若环境温度刚好为25℃，芯片自身又要消耗0．625W的功率，那么为了满足结点不超过150℃，唯一的办法就是让其得到足够好的散热，如下图所示。
图2 场效应管散热片
好了，我们把问题转回到最初的场效应管为什么需要从9A变成5A性能更可靠的问题上。
场效应管的损耗通常来自导通损耗与开关损耗两种，但在高频小电流条件下以开关损耗为主，由于9A的场效应管在工艺上决定了其栅极电容较大，需要较强的驱动能力，在驱动能力不足的情况下导致其开关损耗急剧上升，特别在高温情况下由于热耗散不足，导致结点温度超标引发失效。
如果在满足设计裕量的条件下换成额定电流稍小的场管以后，由于两种场管在导通内阻上并不会差距太大，且导通损耗在高频条件下相比开关损耗来说几乎可以忽略不计，这样一来5A的场管驱动起来就会变得容易很多，开关损耗降下去了，使用5A场管在同样的温度环境下结点温度降低在可控范围，自然就不会再出现热耗散引起的失效了，当然遇到这种情况增强驱动能力也是一个很好的办法。
图3 开关器件损耗分析示意图
通常大多数芯片的结点温度是150℃，只要把结点温度控制在这个范围内并保持一定裕量，从热耗散的设计角度来说都是没有问题的。
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