高效低功耗MOSFET在BMS中的應用
一、產品概述
CMSC1653是一款采用場效應半導體先進溝槽工藝制造的N溝道型MOSFET產品，其最大特點是擁有卓越的優值系數（FOM）。截至發稿時，該產品已經包括在電源轉換、電機驅動、LED照明、美容醫療等領域的十多個不同類方案中超過百萬顆物料的市場應用情況，所應用適配的產品，均表現出了高度的穩定性與可靠性。
1.CMSC1653產品規格書部分信息
二、產品技術亮點
1.關鍵特性：
? 低導通電阻（RDS(on)max=7.7mΩ,Vgs=10V）：減少導通功耗，提高效率。
? 高開關速度：適用于高頻開關應用。
? 相對高電流處理能力：支持大電流應用。
? 低柵極電荷（Qg）：Qg=8NC,減少驅動開關損耗。
2.性能優勢：
? 高溫穩定性：結溫高達150℃，適合車規級及高溫環境應用。
? 小封裝：采用DFN-3.3*3.3小型封裝，節省了PCB空間。
三、典型應用場景
1．電源管理：
? 開關電源DC-DC模塊的輸出端是直接作用在負載上的，需要低導通內阻和高頻率開關特性的MOSFET,來提升電能轉換效率，實現能量最大化利用。
2．電機驅動：
? 電機控制電路最長用的拓撲方案是半橋和全橋驅動，橋型組合控制最大的特點就是相位切換、正反切換絲滑，而不能引起高溫，并且電機屬于感性負載，存在高反向感應電動勢，要求控制器件具有高電流能力和低熱阻特性。
3．LED照明：
? LED燈照明驅動通用型方案一般是同步整流，同步整流是采用通態電阻極低的MOSFET，來取代整流二極管以降低整流過程中導通損耗和開關損耗的技術。高效的開關特性，實現了對不同LED燈的精確控制能力。
4．BMS：BMS-Battery Management System電池管理系統是對鋰電池進行過充、過放、過流和短路保護。鋰電池保護板的原理主要是通過專門的集成保護板來監控和管理電池的狀態。其通過監測電池的電壓和電流，并在必要時切斷電路，以防止電池損壞。
5．其他應用：
? 如逆變器、無線充電等。
四、設計指南
MOSFET屬于電壓控制性元件，是通過柵極電壓控制漏-源極間的電流，柵極驅動設計對于電路的穩定性至關重要。
1.產品介紹
CMSC1653最大閾值電壓VGS(th)=2.5V,要使MOSFET導通，柵極驅動電壓（VGS）設計不能小于該值，若要求達到MOSFET完全導通,理想情況則是柵極驅動電壓VGS>4.5V（該值來源于CMSC1653 MOSFET導通內阻與驅動電壓的關系圖，如下圖所示）
在此有必要提醒讀者朋友，不要在MOSFET上提供使用過大的驅動電壓即就是在考慮熱阻特性時并不是驅動電壓越大越好（不考慮MOSFET雪崩工作態），應該是在保證MOSFET飽和導通情況下，只要應用的失真性能不惡化，就應該為MOSFET提供較低的電壓，如±5V而非±10 V。
MOSFET柵極驅動電路原理通常是由控制邏輯芯片串聯MOSFET實現邏輯控制。MOSFET邏輯控制過程必須遵循穩定且可靠原則。實際電路應用環境中由于PCBA布線、MOSFET內部鍵合布線以及整體電路EMC的存在等等因素，使得柵極驅動出現異常尖峰，這些異常尖峰對MOSFET的驅動控制帶來極大的不穩定性和工作狀態的不確定性，主要表現有：
? 工作時散熱特點發生變化；
? 使MOSFET較長期工作在雪崩狀態；
? 尖峰的耦合對電路關鍵性元器件造成沖擊甚至不可逆的損壞；
因此有必要反復推敲驅動電路設計，對于簡單設備及簡單電路，驅動電路一般建議設計是增加串聯柵極保護電阻Rg；對于較高端設備則會將驅動電路設計的相對復雜一些，如大功率逆變電源中，為了提高MOSFET柵極驅動能力，通常需要額外增加‘圖騰柱’和‘門電路’的方式實現MOSFET驅動控制。
總的來說，邏輯芯片與MOSFET之間的串聯電路，既能減少振蕩，又能對芯片起到保護的作用。
2.散熱設計
PCBA電路板中一般的散熱方案設計有如增加散熱片、PCB銅箔、PCBA過孔以及外加散熱風扇等設計）。
? 布局建議：提供PCB布局優化建議（如減少寄生電感、優化布線）。
? 保護電路：在電路中添加過壓保護（如RDC尖峰吸收電路、RC濾波電路）、過流保護、提高反向阻斷特性（如增加超快恢復二極管）、ESD保護電路和浪涌保護等等電路。
3.熱阻計算
熱阻（thermal resistance）是一個和熱有關的性質，是指在有溫度差的情形下，物體抵抗傳熱的能力，單位是℃/W，意為單位功率下的溫升。幾乎所有的半導體器件數據手冊都會給出RθJA與RθJC參數。
? RθJA — Junction-to-Ambient thermal resistance
如圖所示，指芯片內部的PN結在靜止空氣條件下對外部環境的熱阻 (此外部環境在測試中不受器件自身發熱影響，在實際應用中會影響，所以RθJA只用來粗略估算，可以只能用來快速估算結溫。）
? RθJC(top) — Junction-to-Case(top) thermal resistance
如圖所示，指芯片內部的PN結到外殼封裝上表面的熱阻，測試時其他方向不散熱，只有上表面散熱。
? RθJC(buttom) — Junction-to-Case(top) thermal resistance
如圖所示，指芯片內部的PN結到外殼封裝下表面的熱阻，測試時其他方向不散熱，只有下表面散熱。
? RθJB— Junction-to-PCB thermal resistance
如圖所示，指芯片內部的PN結到PCB(并非封裝底部，而是電路板)的熱阻，測試時其他方向不散熱，這意味著PCB必須是器件散熱的主要途徑。
下表為小編總結的不同熱阻值原理計算公式
五、常見問題解答（FAQ）
Q1：如何選擇合適的MOSFET？
A：根據電壓、電流、開關頻率和封裝需求選擇。
Q2：如何優化MOSFET的開關性能？
A：合理設計柵極驅動電路，選擇低柵極電荷（Qg）的MOSFET。
Q3：MOSFET發熱嚴重怎么辦？
A：優化散熱設計，降低導通電阻和開關損耗。
六、技術支持與資源
如需詳細的產品手冊及相關技術支持，請注冊登錄場效應半導體官網www.phchaye.com.cn自主下載查閱或聯系人工客服索取。
七、總結
CMSC1653具有低導通電阻、高開關速度和超高性價比等核心優勢成為電源轉換、電機驅動、LED照明、美容醫療以及鋰電池保護板鄰域不可替代的產品。通過大量的多種類產品驗證，CMSC1653 MOSFET具有寬泛的兼容性和較高的穩定性，為設備安全可靠的運行保駕護航。
