開關(guān)電源的MOSFET選擇

DC/DC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)定范圍以內(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。

圖1 降壓同步開關(guān)穩(wěn)壓器原理圖

DC/DC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。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)一種為簡單的解決方案。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)散熱能力，因?yàn)樗孎ET物理隔離于控制器，并且擁有的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。

一個(gè)常見問題是“為什么不讓這種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：

3) Tj = ThetaJA *FET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程式計(jì)算得到：

4) AC損耗：AC功耗(PswAC) = ？* Vds * Ids * (trise + tfall)/Tsw

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)。

5) DC損耗：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。

開關(guān)電壓和電流均為非零時(shí)，AC開關(guān)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

6)，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)范。

圖2 AC損耗圖

圖3 開關(guān)頻率對(duì)AC損耗的影響

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損耗簡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，更長的導(dǎo)通時(shí)間就意味著更大的DC開關(guān)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。

圖4 DC損耗圖

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。這意味著，F(xiàn)ET選擇必須平衡這兩種相互沖突的規(guī)范。另外，還必須考慮成本因素。

低占空比設(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。這是因?yàn)椋瑢?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6顯示了上述情況。

圖6 低占空比設(shè)計(jì)的高側(cè)和低側(cè)FET功耗

如果我們降低輸入電壓，則我們可以得到一個(gè)高占空比設(shè)計(jì)，其高側(cè)FET大多數(shù)時(shí)候均為導(dǎo)通狀態(tài)，如圖7所示。這種情況下，DC損耗較高，要求低導(dǎo)通電阻。根據(jù)不同的輸入電壓，AC損耗可能并不像低側(cè)FET時(shí)那樣重要，但還是沒有低側(cè)FET那樣低。因此，仍然要求適當(dāng)?shù)牡蜄艠O電荷。這要求在低導(dǎo)通電阻和低柵極電荷之間做出妥協(xié)。就低側(cè)FET而言，導(dǎo)通時(shí)間短，且AC損耗較低，因此我們可以按照價(jià)格或者體積而非導(dǎo)通電阻和柵極電荷原則，選擇正確的FET。

圖7 高占空比設(shè)計(jì)的高側(cè)和低側(cè)FET功耗

假設(shè)一個(gè)負(fù)載點(diǎn)(POL)穩(wěn)壓器時(shí)我們可以規(guī)定某個(gè)中間電壓軌的額定輸入電壓，那么解決方案是什么呢，是高輸入電壓/低占空比，還是低輸入電壓/高占空比呢？使用不同輸入電壓對(duì)占空比進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)查看FET功耗情況。

圖8中，高側(cè)FET反應(yīng)曲線圖表明，占空比從25%增至40%時(shí)AC損耗明顯降低，而DC損耗卻線性增加。因此，35%左右的占空比，應(yīng)為選擇電容和導(dǎo)通電阻平衡FET的理想值。不斷降低輸入電壓并提高占空比，可以得到的AC損耗和的DC損耗，就此而言，我們可以使用一個(gè)低導(dǎo)通電阻的FET，并折中選擇高柵極電荷。如低側(cè)FET圖9所示，控制器占空比由低升高時(shí)DC損耗線性降低(低側(cè)FET導(dǎo)通時(shí)間更短)，高控制器占空比時(shí)損耗。整個(gè)電路板的AC損耗都很低，因此任何情況下都應(yīng)選擇使用低導(dǎo)通電阻的FET。

圖8 高側(cè)FET損耗與占空比的關(guān)系

圖9 低側(cè)FET損耗與控制器占空比的關(guān)系

請(qǐng)注意：低側(cè)FET占空比為1-控制器占空比，因此低側(cè)FET導(dǎo)通時(shí)間隨控制器占空比增加而縮短

圖10顯示了我們將高側(cè)和低側(cè)損耗組合到一起時(shí)總效率的變化情況。我們可以看到，這種情況下，高占空比時(shí)組合FET損耗，并且效率。效率從94.5%升高至96.5%。不幸的是，為了獲得低輸入電壓，我們必須降低中間電壓軌電源的電壓，使其占空比增加，原因是它通過一個(gè)固定輸入電源供電。因此，這樣可能會(huì)抵消在POL獲得的部分或者全部增益。另一種方法是不使用中間軌，而是直接從輸入電源到POL穩(wěn)壓器，目的是降低穩(wěn)壓器數(shù)。這時(shí)，占空比較低，我們必須小心地選擇FET。

圖10 總損耗與效率和占空比的關(guān)系

在有多個(gè)輸出電壓和電流要求的電源系統(tǒng)中，情況會(huì)更加復(fù)雜。對(duì)比不同POL穩(wěn)壓器占空比的效率、成本和體積。圖11顯示了一個(gè)系統(tǒng)，其輸入電壓為28V，共有8個(gè)負(fù)載，4個(gè)不同電壓，范圍為3.3V到1.25V。共有3種對(duì)比方法：

1)無中間軌，直接通過輸入電源提供28V電壓，以實(shí)現(xiàn)POL穩(wěn)壓器的低占空比；

2)使用12V中間軌，POL穩(wěn)壓器中等占空比；

3)使用5V中間軌，高POL穩(wěn)壓器占空比。

圖12和表1顯示了對(duì)比結(jié)果。這種情況下，無中間軌電源的構(gòu)架實(shí)現(xiàn)了成本，12V中間軌電壓的構(gòu)架獲得了效率，而5V中間軌電壓構(gòu)架則實(shí)現(xiàn)了體積。因此，我們可以看到，對(duì)于這種大型系統(tǒng)而言，單POL電源情況下我們所看到的這些參數(shù)均沒有明顯的趨向。這是因?yàn)?，使用多個(gè)穩(wěn)壓器時(shí)，除中間軌穩(wěn)壓器本身以外，每個(gè)穩(wěn)壓器都有其不同的負(fù)載電流和電壓要求，而這些需求可能會(huì)相互沖突。研究這種情況的方法是使用如WEBENCH電源設(shè)計(jì)師等工具，對(duì)不同的選項(xiàng)進(jìn)行評(píng)估

圖11 表明輸入、中間軌、負(fù)載點(diǎn) (POL) 電源和負(fù)載的電源系統(tǒng)。

中間軌電壓的不同選擇為28V(直接使用輸入電源)、12V和 5V。這會(huì)帶來不同的POL穩(wěn)壓器占空比。