降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器的MOSFET選擇

同步整流降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器都采用控制器和外接功率MOSFET的結(jié)構(gòu)。控制器生產(chǎn)商會(huì)在數(shù)據(jù)資料中給出參數(shù)齊全的應(yīng)用電路，但用戶的使用條件經(jīng)常與典型應(yīng)用電路不同，要根據(jù)實(shí)際情況改變功率MOSFET的參數(shù)。

對(duì)功率MOSFET的要求

同步整流降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入及輸出部分電路如圖1所示，它是由帶驅(qū)動(dòng)MOSFET的控制器及外接開關(guān)管(Q1)及同步整流管(Q2)等組成。目前，Q1和Q2都采用N溝道功率MOSFET，因?yàn)樗鼈兡軡M足DC/DC轉(zhuǎn)換器在輸入電壓、開關(guān)頻率、輸出電流及減少損耗上的要求。

圖1 同步整流降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入及輸出部分電路簡(jiǎn)圖

開關(guān)管與同步整流管的工作條件不同，其損耗也不一樣。開關(guān)管有傳導(dǎo)損耗(或稱導(dǎo)通損耗)和柵極驅(qū)動(dòng)損耗(或稱開關(guān)損耗)，而同步整流管只有傳導(dǎo)損耗。

傳導(dǎo)損耗是由MOSFET的導(dǎo)通電阻R_DS(on)造成的，其損耗與i²D、R_DS(on)及占空比大小有關(guān)，要減少傳導(dǎo)損耗需要選用R_DS(on)小的功率MOSFET。新型MOSFET的R_DS(on)在V_GS=10V時(shí)約  10mΩ左右，有一些新產(chǎn)品在V_GS=10V時(shí)可做到R_DS(on)約2～3mΩ。

柵極驅(qū)動(dòng)損耗是在開關(guān)管導(dǎo)通及關(guān)斷瞬間，在一定的柵源電壓V_GS下，對(duì)MOSFET的極間電容(如圖2所示)進(jìn)行充電(建立V_GS電壓，使MOSFET導(dǎo)通)和放電(讓V_GS=0，使MOSFET關(guān)斷)造成的損耗。此損耗與MOSFET的輸入電容C_iss或反饋電容C_rss、柵極驅(qū)動(dòng)電壓V_GS及開關(guān)頻率f_sw成比例。要減小此損耗，就要選擇C_iss或C_rss小、閾值電壓V_GS(th)低的功率MOSFET。

圖2 MOSFET的極間電容

同步整流管也是工作在開關(guān)狀態(tài)(其開關(guān)頻率與開關(guān)管相同)，但因同步整流管工作于零電壓(V_GS≈0V)狀態(tài)(如圖3所示)，其開關(guān)損耗可忽略不計(jì)。

圖3 同步整流管導(dǎo)通時(shí)，VDS≈0V

為滿足DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作安全、可靠及高效率，所選的功率MOSFET要在一定的柵極驅(qū)動(dòng)電壓下滿足以下的條件：MOSFET的耐壓要大于最大的輸入電壓，即V_DSS>V_in(max) ；MOSFET的漏極電流要大于或等于最大輸出電流，即I_D≥I_OUT(max)；選擇C_iss或C_rss盡量小的開關(guān)管，選擇R_DS(on)盡量小的同步整流管，使MOSFET的損耗最小，并滿足其損耗值小于P_D(P_D為一定條件下的MOSFET允許耗散功率)。另外，還要選擇價(jià)格適中、封裝尺寸小的(如SO-8、DPAK或D2PAK封裝)貼片式MOSFET。

MOSFET的V_DSS、I_D及R_DS(on)等參數(shù)可直接從MOSFET的樣本或數(shù)據(jù)資料中找到，而其損耗則要在一定條件下經(jīng)計(jì)算才能確定。

MOSFET的損耗計(jì)算

DC/DC控制器生產(chǎn)廠家在數(shù)據(jù)資料中給出開關(guān)管及同步整流管的損耗計(jì)算公式，其中開關(guān)損耗的計(jì)算往往是經(jīng)驗(yàn)公式，因此各DC/DC控制器生產(chǎn)廠家的公式是不相同的，要按該型號(hào)資料提供的損耗公式計(jì)算，否則會(huì)有較大的計(jì)算誤差。

損耗計(jì)算的方法是，根據(jù)已知的使用條件先初選一個(gè)功率MOSFET，要滿足V_DSS>V_in(max)、I_D≥I_OUT(max)、C_iss或C_rss小、R_DS(on)小的要求，然后按公式計(jì)算其損耗。若計(jì)算出來的損耗小于一定條件下的P_D，則計(jì)算有效，可選用初選的功率MOSFET；若計(jì)算出來的損耗大于P_D，則重新再選擇或采用兩個(gè)功率MOSFET并聯(lián)，使1/2(計(jì)算出來的損耗)<P_D。

計(jì)算前要已知：輸入電壓VIN(或 V_in(max)及VIN(min))、輸出電壓VOUT、最大輸出電流I_OUT(max)、開關(guān)頻率f_sw。一般所選的MOSFET的P_D往往是1～1.5W，其目的是減小損耗、提高效率。

本文介紹美信公司的MAX8720單相降壓式DC/DC控制器及飛兆公司的多相降壓式DC/DC控制器FAN5019B組成的電路中的MOSFET損耗計(jì)算。損耗計(jì)算公式是非常簡(jiǎn)單的，關(guān)鍵是如何從MOSFET樣本或數(shù)據(jù)資料中正確地選取有關(guān)參數(shù)。

MOSFET主要參數(shù)的選取

• I_D及P_D值的選取
  
  MOSFET的資料中，漏極電流I_D及允許耗散功率P_D值在不同條件下是不同的，其數(shù)值相差很大。例如，N溝道功率MOSFET IRF6617的極限參數(shù)如表1所示。
  
  表1 連續(xù)工作狀態(tài)下的極限值
  
  
  最大漏極電流IDM=120A(以最大結(jié)溫為限的脈沖狀態(tài)工作)。
  
  不同的MOSFET生產(chǎn)廠家對(duì)I_D及P_D的表達(dá)方式不同。例如，安森美公司的NTMFS4108N的I_D及P_D參數(shù)如表2所示。
  
  表2最大極限值(Tj=25℃，否則另外說明)
  
  注：*安裝條件1為MOSFET安裝在敷銅鈑面積為6.5cm2的焊盤上(見圖4)
     **安裝條件2為MOSFET安裝在敷銅鈑面積為2.7cm2的焊盤上(見圖4)
  
  最大漏電流IDM=106A(脈沖狀態(tài)，Tp=10μs)。
  
  在DC/DC轉(zhuǎn)換器中，MOSFET工作在占空比變化的脈沖狀態(tài)，但也不是工作于窄脈沖狀態(tài)；工作溫度范圍是-40～85℃。表1、表2中無這種工作條件下的I_D及P_D值。I_D可在下面的范圍內(nèi)選?。?TA=70～85℃時(shí)的I_D)<I_D≤連續(xù)或短時(shí)的最大值。例如，表1中的I_D可取11～55A，表2中的I_D可取16～35A。P_D一般選最小值。
  
• R_DS(on)值的選取
  
  MOSFET資料中給出結(jié)溫Tj=25℃及V_GS=10V及V_GS=4.5V時(shí)的典型  R_DS(on)值及最大R_DS(on)值。另外，R_DS(on)也隨結(jié)溫上升而增加。一般R_DS(on)是在已知的V_GS條件下(由驅(qū)動(dòng)器或控制器的VCC決定)，取R_DS(on)最大值為計(jì)算值。
  
• C_iss及C_rss的選取
  
  在計(jì)算開關(guān)管損耗時(shí)要用到輸入電容C_iss(C_iss=C_GD+C_GS)或反饋電容C_rss(C_rss=C_GS)值。為減小開關(guān)損耗，要選擇C_iss或C_rss小的MOSFET。C_iss一般為上千到數(shù)千pF，而C_rss一般為幾十到幾百pF。
  “MOSFETT選擇指南”或“簡(jiǎn)略表”中往往沒有C_iss或C_rss參數(shù)，但有總柵極電容Qg值。由于Qg小的MOSFET，其C_iss或C_rss也小。所以可先找出Qg小的MOSFET型號(hào)，然后再在數(shù)據(jù)資料中找出C_iss或C_rss值。有的數(shù)據(jù)資料的參數(shù)表中無C_iss或C_rss參數(shù)，但有C_iss和C_rss與VDS的特性曲線，可取VDS=15V時(shí)的C_iss或C_rss值作為計(jì)算值，如圖5所示。

圖4 MOSFET焊盤(敷銅板)尺寸

圖5 C_iss和C_rss與VDS的特性曲線

應(yīng)用實(shí)例

• MAX8720電路中的MOSFET選擇
  
  由MAX8720組成的降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器電路如圖6所示?，F(xiàn)使用條件為VIN=7～24V、VOUT=1.25V、I_OUT(max)=15A、f_sw=300kHz，控制器的工作電壓(偏置電壓)VCC=5V，選合適的開關(guān)管(NH)及同步整流管(NL)。
  
  
  
  圖6 由MAX8720組成的降壓式DC/DC電路
  
  
  初選Vishay公司的Si7390DP作NH(其Qg僅10nC)；Si7356DP作NL (R_DS(on)=4mΩ)。其封裝都是8引腳、有散熱墊的SO-8封裝，主要參數(shù)如表3所示。
  
  表3
  注：*由特性曲線中求得；**印制板焊盤面積最小的值。
  
  
  1. 開關(guān)管傳導(dǎo)損耗PD(N_HR)計(jì)算
     
     PD(N_HR)=(VOUT/VIN(min))(I_OUT(max))2