開關(guān)電源的 MOSFET 選擇.docx

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1、文檔開關(guān)電源的MOSFET選擇開關(guān)控制器的MOSFET選擇是一個(gè)復(fù)雜的過程。僅僅考慮MOSFET的額定電壓和電流并不足以選擇到合適的MOSFET。要想讓MOSFET維持在規(guī)定X圍以內(nèi)，必須在低柵極電荷和低導(dǎo)通電阻之間取得平衡。在多負(fù)載電源系統(tǒng)中，這種情況會(huì)變得更加復(fù)雜?！　D1—降壓同步開關(guān)穩(wěn)壓器原理圖　　開關(guān)電源因其高效率而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代許多電子系統(tǒng)中。例如，同時(shí)擁有一個(gè)高側(cè)FET和低側(cè)FET的降壓同步開關(guān)穩(wěn)壓器，如圖1所示。這兩個(gè)FET會(huì)根據(jù)控制器設(shè)置的占空比進(jìn)行開關(guān)操作，旨在達(dá)到理想的輸出電壓。

2、降壓穩(wěn)壓器的占空比方程式如下：　　1)占空比(高側(cè)FET,上管)=Vout/(Vin*效率)　　2)占空比(低側(cè)FET，下管)=1–DC(高側(cè)FET)　　FET可能會(huì)集成到與控制器一樣的同一塊芯片中，從而實(shí)現(xiàn)一種最為簡(jiǎn)單的解決方案。但是，為了提供高電流能力及（或）達(dá)到更高效率，F(xiàn)ET需要始終為控制器的外部元件。這樣便可以實(shí)現(xiàn)最大散熱能力，因?yàn)樗孎ET物理隔離于控制器，并且擁有最大的FET選擇靈活性。它的缺點(diǎn)是FET選擇過程更加復(fù)雜，原因是要考慮的因素有很多。12/12文檔　　一個(gè)常見問題是“為什么不

3、讓這種10AFET也用于我的10A設(shè)計(jì)呢？”答案是這種10A額定電流并非適用于所有設(shè)計(jì)。　　選擇FET時(shí)需要考慮的因素包括額定電壓、環(huán)境溫度、開關(guān)頻率、控制器驅(qū)動(dòng)能力和散熱組件面積。關(guān)鍵問題是，如果功耗過高且散熱不足，則FET可能會(huì)過熱起火。我們可以利用封裝/散熱組件ThetaJA或者熱敏電阻、FET功耗和環(huán)境溫度估算某個(gè)FET的結(jié)溫，具體方法如下：　　功耗（PdissFET）+環(huán)境溫度（Tambient）　　它要求計(jì)算FET的功耗。這種功耗可以分成兩個(gè)主要部分：AC和DC損耗。這些損耗可以通過下列方

4、程式計(jì)算得到：　　損耗:AC功耗（PswAC）　　其中，Vds為高側(cè)FET的輸入電壓，Ids為負(fù)載電流，trise和tfall為FET的升時(shí)間和降時(shí)間，而Tsw為控制器的開關(guān)時(shí)間（1/開關(guān)頻率）?！　p耗:PswDC=RdsOn*Iout*Iout*占空比　　其中，RdsOn為FET的導(dǎo)通電阻，而Iout為降壓拓?fù)涞呢?fù)載電流。　　其他損耗形成的原因還包括輸出寄生電容、門損耗，以及低側(cè)FET空載時(shí)間期間導(dǎo)電帶來的體二極管損耗，但在本文中我們將主要討論AC和DC損耗?！　￠_關(guān)電壓和電流均為非零時(shí)，AC開關(guān)

5、損耗出現(xiàn)在開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷之間的過渡期間。圖2中高亮部分顯示了這種情況。根據(jù)方程式12/12文檔4），降低這種損耗的一種方法是縮短開關(guān)的升時(shí)間和降時(shí)間。通過選擇一個(gè)更低柵極電荷的FET，可以達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。另一個(gè)因數(shù)是開關(guān)頻率。開關(guān)頻率越高，圖3所示升降過渡區(qū)域所花費(fèi)的開關(guān)時(shí)間百分比就越大。因此，更高頻率就意味著更大的AC開關(guān)損耗。所以，降低AC損耗的另一種方法便是降低開關(guān)頻率，但這要求更大且通常也更昂貴的電感來確保峰值開關(guān)電流不超出規(guī)X?！　D2—AC損耗圖12/12文檔　　圖3—開關(guān)頻率對(duì)AC損耗的影

6、響　　開關(guān)處在導(dǎo)通狀態(tài)下出現(xiàn)DC損耗，其原因是FET的導(dǎo)通電阻。這是一種十分簡(jiǎn)單的I2R損耗形成機(jī)制，如圖4所示。但是，導(dǎo)通電阻會(huì)隨FET結(jié)溫而變化，這便使得這種情況更加復(fù)雜。所以，使用方程式3）、4）和5）準(zhǔn)確計(jì)算導(dǎo)通電阻時(shí)，就必須使用迭代方法，并要考慮到FET的溫升。降低DC損耗最簡(jiǎn)單的一種方法是選擇一個(gè)低導(dǎo)通電阻的FET。另外，DC損耗大小同F(xiàn)ET的百分比導(dǎo)通時(shí)間成正比例關(guān)系，其為高側(cè)FET控制器占空比加上1減去低側(cè)FET占空比，如前所述。由圖5我們可以知道，更長(zhǎng)的導(dǎo)通時(shí)間就意味著更大的DC開關(guān)

7、損耗，因此，可以通過減小導(dǎo)通時(shí)間/FET占空比來降低DC損耗。例如，如果使用了一個(gè)中間DC電壓軌，并且可以修改輸入電壓的情況下，設(shè)計(jì)人員或許就可以修改占空比。12/12文檔　　圖4—DC損耗圖12/12文檔　　圖5—占空比對(duì)DC損耗的影響　　盡管選擇一個(gè)低柵極電荷和低導(dǎo)通電阻的FET是一種簡(jiǎn)單的解決方案，但是需要在這兩種參數(shù)之間做一些折中和平衡。低柵極電荷通常意味著更小的柵極面積/更少的并聯(lián)晶體管，以及由此帶來的高導(dǎo)通電阻。另一方面，使用更大/更多并聯(lián)晶體管一般會(huì)導(dǎo)致低導(dǎo)通電阻，從而產(chǎn)生更多的柵極電荷

8、。這意味著，F(xiàn)ET選擇必須平衡這兩種相互沖突的規(guī)X。另外，還必須考慮成本因素?！　〉驼伎毡仍O(shè)計(jì)意味著高輸入電壓，對(duì)這些設(shè)計(jì)而言，高側(cè)FET大多時(shí)候均為關(guān)斷，因此DC損耗較低。但是，高FET電壓帶來高AC損耗，所以可以選擇低柵極電荷的FET，即使導(dǎo)通電阻較高。低側(cè)FET大多數(shù)時(shí)候均為導(dǎo)通狀態(tài)，但是AC損耗卻最小。這是因?yàn)?，?dǎo)通/關(guān)斷期間低側(cè)FET的電壓因FET體二極管而非常地低。因此，需要選擇一個(gè)低導(dǎo)通電阻的FET，并且柵極電荷可以很高。圖7顯示了上述情況