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)?？刂破魃a(chǎn)商會在數(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。

傳導(dǎo)損耗是由mosfet的導(dǎo)通電阻rds(on)造成的，其損耗與i2d、rds(on)及占空比大小有關(guān)，要減少傳導(dǎo)損耗需要選用rds(on)小的功率mosfet。新型mosfet的rds(on)在vgs=10v時(shí)約 10mω左右，有一些新產(chǎn)品在vgs=10v時(shí)可做到rds(on)約2～3mω。

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

mosfet的vdss、id及rds(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，要按該型號資料提供的損耗公式計(jì)算，否則會有較大的計(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vdss>vin(max)、id≥iout(max)、ciss或crss小、rds(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pd，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pd，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)

計(jì)算前要已知：輸入電壓vin(或 vin(max)及vin(min))、輸出電壓vout、最大輸出電流iout(max)、開關(guān)頻率fsw。一般所選的mosfet的pd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

mosfet的資料中，漏極電流id及允許耗散功率pd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id及pd的表達(dá)方式不同。例如，安森美公司的ntmfs4108n的id及pd參數(shù)如表2所示。

表2最大極限值(tj=25℃，否則另外說明)

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id及pd值。id可在下面的范圍內(nèi)選取：(ta=70～85℃時(shí)的id)

rds(on)值的選取

mosfet資料中給出結(jié)溫tj=25℃及vgs=10v及vgs=4.5v時(shí)的典型 rds(on)值及最大rds(on)值。另外，rds(on)也隨結(jié)溫上升而增加。一般rds(on)是在已知的vgs條件下(由驅(qū)動器或控制器的vcc決定)，取rds(on)最大值為計(jì)算值。

ciss及crss的選取

在計(jì)算開關(guān)管損耗時(shí)要用到輸入電容ciss(ciss=cgd+cgs)或反饋電容crss(crss=cgs)值。為減小開關(guān)損耗，要選擇ciss或crss小的mosfet。ciss一般為上千到數(shù)千pf，而crss一般為幾十到幾百pf。
“mosfett選擇指南”或“簡略表”中往往沒有ciss或crss參數(shù)，但有總柵極電容qg值。由于qg小的mosfet，其ciss或crss也小。所以可先找出qg小的mosfet型號，然后再在數(shù)據(jù)資料中找出ciss或crss值。有的數(shù)據(jù)資料的參數(shù)表中無ciss或crss參數(shù)，但有ciss和crss與vds的特性曲線，可取vds=15v時(shí)的ciss或crss值作為計(jì)算值，如圖5所示。

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、iout(max)=15a、fsw=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)。

初選vishay公司的si7390dp作nh(其qg僅10nc)；si7356dp作nl (rds(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。

開關(guān)管傳導(dǎo)損耗pd(nhr)計(jì)算

pd(nhr)=(vout/vin(min))(iout(max))2×rds(on)
=(1.25v/7v)×15a2×13.5mω
=0.54w

開關(guān)管的柵極驅(qū)動損耗pd(nhs)計(jì)算

pd(nhs)=[(vin(max))2×crss×fsw×iout]/igate
=[24v2×130pf×300khz×15a]/2a
=0.168w

式中柵極電流igate的數(shù)據(jù)是max8720數(shù)據(jù)資料中給出的。
開關(guān)管的總損耗pd(nh)為

pd(nh)=pd(nhr)+pd(nhs)
=0.54w+0.168w
=0.708w<1.1w

同步整流管的傳導(dǎo)損耗pd(nlr)計(jì)算

pd(nlr)=[1-(vout/vin(max))]×(iout(max))2×rds(on)
=[1-(1.25v/24v)]×15a2×4mω
=0.85w<1.9w

根據(jù)上述計(jì)算，滿足計(jì)算的損耗值

fan5019b電路中的mosfet選擇

由控制器fan5019b及3個(gè)驅(qū)動器fan5009組成的三相同步整流降壓式dc/dc轉(zhuǎn)換器電路如圖7所示。現(xiàn)使用條件：vin=vcc=12v(vcc是供控制器及驅(qū)動器的工作電壓)，vout=1.5v，io=65a(io即iout(max))，fsw=228khz，選擇開關(guān)管及同步整流管(采用兩個(gè)并聯(lián)組成)。

初選快速開關(guān)管fdd6696為開關(guān)管(其qg為17nc)，同步整流管選fdd6682(其rds(on)=11.9mω)。其主要參數(shù)如表4所示。

開關(guān)管傳導(dǎo)損耗pc(mf)計(jì)算

pc(mf)=d[(io/nmf)2+1/12(n×ir/nmf)2]×rds(on)

式中d為占空比(d=vin/vout) ；ir為紋電流(ir=1/n×io×40%）；nmf為總的開關(guān)管數(shù)；n為相數(shù)；io=iout(max)。ir計(jì)算得ir=8.66a，代入公式：

pc(mf)=15v/12v[(65a/3)2+1/12(3×8.66a/2)2]×15mω=0.89w

開關(guān)管的柵極驅(qū)動損耗ps(mf)計(jì)算

ps(mf)=2fsw×vcc×(io/nmf)×rg×(nmf/n)×ciss
=2×228khz×12v(65a/3)×3ω×(3/3)×2058pf
=0.73w

式中rg是柵極電阻(這包括mosfet的柵極電阻及驅(qū)動器內(nèi)阻)。高速開關(guān)管的rg典型值為1ω，驅(qū)動器fan5009的內(nèi)阻約2ω，故rg取3ω。

開關(guān)管的總損耗=0.89w+0.73w =1.62w，略大于fdd6696的允許耗散功率。由于允許耗散功率是敷銅板最小面積下的pd值，因此只要pcb有較大的焊盤，則這0.02w可略而不計(jì)。

同步整流管傳導(dǎo)損耗psf計(jì)算

psf=(1-d)[(io/nsf)2+1/12(nir/nsf)2] rds(on)
=(1-1.5v/12v)[(65a/6)2+1/12(3×8.66a/6)2]×11.9mω
=1.24w<1.6w

式中nsf為同步整流管的總數(shù)。

通過上述計(jì)算，選用3個(gè)fdd6696做開關(guān)管及6個(gè)fdd6682做同步整流管組成的電路可滿足vin=vcc=12v、vout=1.5v、iout(max)=65a、fsw=228khz的使用要求。
結(jié)束語

由于上述損耗計(jì)算是較粗略的，所以在mosfet選定后，還要通過實(shí)驗(yàn)來證實(shí)選擇是否合適。在實(shí)用上，為安全起見，mosfet的焊盤面積可取得大一些(如6.5cm2)。