高精度MOSFET設(shè)計(jì)技巧

　　利用相同的處理，我們可以導(dǎo)出針對(duì)同步整流器的方程：

　　(9)

　　類似地，做優(yōu)化裸片面積可由下式表示：

　　(10)

　　我們以頂部MOSFET為例，下圖2所示為在不同輸入電壓時(shí)最優(yōu)化裸片面積和負(fù)載電流之間的關(guān)系。仔細(xì)地考察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入電壓從19V變到5V時(shí)，裸片面積增加。

　　這是因?yàn)樵?V電壓時(shí)占空比會(huì)增加，而我們需要較小的RDSON，因此，獲得較大的裸片面積以減小傳導(dǎo)損耗。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電壓越小，開(kāi)關(guān)損耗也成比例地越小，因此，我們我們能夠容忍存在某種程度上較大的Qgd和較大的裸片面積。

　　如下圖3所示，是在不同輸入電壓的情況下最優(yōu)化裸片面積和開(kāi)關(guān)頻率之間的關(guān)系。顯然，在動(dòng)態(tài)損耗和傳導(dǎo)損耗之間我們需要采取不同的混合，并且在高開(kāi)關(guān)頻率下動(dòng)態(tài)或開(kāi)關(guān)損耗其支配作用，因此，迫使把裸片面積做得非常小。

　　這些依賴性在某種程度上不同于我們考慮同步整流器的時(shí)候，因?yàn)榭缭剿碾妷菏菃沃欢O管的壓降，無(wú)論是體二極管或是肖特基二極管，在此，動(dòng)態(tài)損耗比頂部MOSFET要小得多。

　　這意味著傳導(dǎo)損耗在這種情況下占支配地位，在此，即使以較大的Qgd為代價(jià)，也需要較大的裸片面積和相關(guān)的小RDSON值。如圖4所示，最優(yōu)化裸片面積是頂部MOSFET在不同輸入電壓條件下負(fù)載電流的函數(shù)。盡管開(kāi)關(guān)損耗在整個(gè)損耗圖中發(fā)揮的作用較小，在此，仍然要以犧牲RDSON指標(biāo)為代價(jià)，進(jìn)一步減小裸片面積來(lái)實(shí)現(xiàn)更低的Qgd。

　　如圖5所示，功耗是裸片面積的函數(shù)，周圍是針對(duì)輸入電壓為5到12V的頂部MOSFET的最合適值。這清楚地表面，損耗高度依賴于裸片面積以及如果裸片面積增加或減少時(shí)這些損耗所增加或減小的劇烈程度。

　　顯然，我的觀點(diǎn)是：這些方程從為任務(wù)指定最優(yōu)化MOSFET的任務(wù)中獲得推斷，并讓我們把工作重心放在開(kāi)發(fā)滿足未來(lái)幾年需求的新的制造工藝的任務(wù)之上。

　　圖2：最優(yōu)化裸片面積是頂部MOSFET在不同輸入電壓條件下負(fù)載電流的函數(shù)。

　　圖3：最優(yōu)化裸片面積是頂部MOSFET在不同輸入電壓條件下開(kāi)關(guān)頻率的函數(shù)。

　　本文小結(jié)

　　Maple計(jì)算軟件的應(yīng)用為研究和掌握功率電路中MOSFET功耗優(yōu)化的物理現(xiàn)象提供了非常令人興奮和有效的工具。

　　我們?cè)诖艘呀?jīng)介紹了專門針對(duì)給定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的MOSFET的概念。

　　為了讓MOSFET設(shè)計(jì)工程師把精力集中在需求快速增長(zhǎng)的個(gè)人電腦市場(chǎng)，有必要針對(duì)特定的器件給出范例。盡管對(duì)RDSON和Qgd兩個(gè)前沿課題有待做進(jìn)一步完善，但是，仍然需要針對(duì)特定應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)MOSFET器件。

　　在MOSFET參數(shù)和應(yīng)用之間的閉環(huán)鏈路要根據(jù)需要來(lái)使用。我們?cè)谏厦嬉呀?jīng)示出：這樣的一個(gè)鏈路可以由損耗方程中導(dǎo)出，因?yàn)樗鼈冇蒑OSFET的參數(shù)來(lái)修正。

　　在頂部和同步整流器MOSFET之間，前者是對(duì)設(shè)計(jì)更為重要的器件。這是因?yàn)橐獙?duì)RDSON和Qgd兩者進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最優(yōu)化的性能;而同步整流器則居于其次。

　　上述方程根據(jù)一組特定的固定參數(shù)清楚地確定了最優(yōu)化的裸片面積。實(shí)際上，有必要被擴(kuò)展到包含一定范圍內(nèi)的工作條件，如頻率、負(fù)載電流、輸入電壓和門驅(qū)動(dòng)條件。幸運(yùn)的是，在個(gè)人電腦市場(chǎng)，輸入電壓和每相的電流被保持在相當(dāng)窄的范圍內(nèi)。這就使開(kāi)關(guān)頻率和門驅(qū)動(dòng)器成為唯一的兩個(gè)真實(shí)變量。

　　圖4：在同步整流器MOSFET不同開(kāi)關(guān)頻率上的最優(yōu)化裸片面積是負(fù)載電流的函數(shù)。

　　圖5：功耗是頂部MOSFET裸片面積的函數(shù)。