【導(dǎo)讀】為了限制本討論的范圍，請考慮采用同步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞腗OSFET選擇方法，該方法適用于PC主板和電信應(yīng)用的DC / DC轉(zhuǎn)換器。為特定應(yīng)用尋找合適的MOSFET涉及最小化損耗并了解這些損耗如何取決于開關(guān)頻率，電流，占空比以及開關(guān)上升和下降時(shí)間。此信息指導(dǎo)選擇工具開發(fā)。
鑒于現(xiàn)有的MOSFET選擇范圍廣泛，以及為主板電源分配的不斷縮小的空間，使用可靠，一致的方法選擇正確的MOSFET變得越來越重要。這種方法可以加速開發(fā)周期，同時(shí)優(yōu)化特定于應(yīng)用的設(shè)計(jì)。
經(jīng)常通過功率MOSFET選擇過程的PC主板和電源設(shè)計(jì)人員可以從使用電子表格的自動(dòng)化過程中受益。這種常用工具可以顯著縮短選擇時(shí)間，同時(shí)為設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)親密，逐步的選擇過程。與算法編程語言相比，在電子表格中實(shí)現(xiàn)選擇方法提供了更大的交互，易于微調(diào)，以及用于構(gòu)建和維護(hù)零件數(shù)據(jù)庫的簡單規(guī)定。
為了限制本討論的范圍，請考慮采用同步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞腗OSFET選擇方法，該方法適用于PC主板和電信應(yīng)用的DC / DC轉(zhuǎn)換器。為特定應(yīng)用尋找合適的MOSFET涉及最小化損耗并了解這些損耗如何取決于開關(guān)頻率，電流，占空比以及開關(guān)上升和下降時(shí)間。此信息指導(dǎo)選擇工具開發(fā)。
一旦選擇了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就可以將MOSFET選擇基于其在電路中的位置和一些器件參數(shù)，例如擊穿電壓，載流能力，R ON和R ON溫度系數(shù)。目標(biāo)是最小化傳導(dǎo)和切換，并選擇具有足夠熱性能的器件。
圖1：降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用兩個(gè)n溝道MOSFET。Q 1是開關(guān)或控制MOSFET，Q 2是同步整流器。L和C包括輸出濾波器，R L是負(fù)載電阻。
檢查典型的降壓轉(zhuǎn)換器可以了解器件要求如何根據(jù)電路位置的不同而有很大差異（圖1）。該電路從12V電源獲取電源并提供1.5V的輸出電壓，導(dǎo)致Q 1的占空比D為1.5 / 12 = 0.125，同步整流器Q 2的 1-D 。開關(guān)損耗在Q 1中的功耗中占主導(dǎo)地位，因?yàn)榕cQ 2相比，其占空比相對較小。Q 1的電壓偏移是源電壓。雖然Q 2也必須脫離全電源電壓，但在其開關(guān)間隔開始時(shí)，體二極管將濾波電感器鉗位到地，所以Q 2的偏移僅限于二極管壓降。小占空比和大偏移對Q 1的上升和下降時(shí)間性能提出了要求。導(dǎo)通損耗是R ON的函數(shù)，它決定了Q 2的功耗。最小化該歐姆項(xiàng)需要具有最低導(dǎo)通電阻的器件，以根據(jù)成本預(yù)期和效率要求處理負(fù)載電流。
電子表格包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗的計(jì)算，后者是開關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)損耗的總和。為了便于動(dòng)態(tài)損耗計(jì)算，您需要參考代表性波形（圖2）。在切換之前，MOSFET的功耗源于傳導(dǎo)損耗。藍(lán)色三角形下面的區(qū)域描繪了切換過渡時(shí)間期間的動(dòng)態(tài)損耗，每個(gè)周期發(fā)生兩次。因此，總動(dòng)態(tài)損耗與開關(guān)頻率成比例。
圖2：開關(guān)Q 1產(chǎn)生I D（綠色）和V DS（紅色）的特征波形。這兩個(gè)波形的乘積給出了瞬時(shí)功耗P D（藍(lán)色）。
傳導(dǎo)損耗與MOS器件的導(dǎo)通狀態(tài)溝道電阻成正比：
和
其中I D是漏極電流，R ON是制造商規(guī)定的標(biāo)稱環(huán)境溫度下的溝道電阻，D是Q 1的占空比。
柵極電容的充電和放電有助于開關(guān)損耗。這種損失還取決于開關(guān)頻率：
其中V G是柵極驅(qū)動(dòng)電壓，C GS是柵極 - 源極電容，f是開關(guān)頻率。
MOSFET選擇的起伏
控制開關(guān)Q 1和同步整流器Q 2的要求不同。電流，電壓和功耗額定值是決定器件在任一位置的適用性的關(guān)鍵參數(shù)。Q 1的功耗由下式給出：
在等式1中，第一項(xiàng)反映了傳導(dǎo)損耗，第二項(xiàng)反映了動(dòng)態(tài)和柵極損耗。I RMS是漏極電流; R ON是溝道電阻; D是占空比; f是開關(guān)頻率; t r和t f分別是切換上升和下降時(shí)間; 和V S是輸入源電壓。
同樣，Q 2的功耗由下式給出：
與前一種情況一樣，第一項(xiàng)是傳導(dǎo)損耗，第二項(xiàng)是開關(guān)損耗。注意D是Q 1的占空比。最后一項(xiàng)V D是體二極管正向電壓。通過在Q 2上連接肖特基二極管，可以減少這種損耗并改善電路的開關(guān)動(dòng)態(tài)。
通過計(jì)算兩個(gè)器件的功耗，您可以根據(jù)封裝和散熱器的熱阻計(jì)算溫升：
其中ΔT是環(huán)境溫度上升的攝氏度，P是器件的總功耗，RΘ是總熱阻，它是FET封裝和散熱器的結(jié)殼電阻之和熱阻。還有一個(gè)小型的散熱器術(shù)語，通常可以忽略不計(jì) - 特別是當(dāng)您使用現(xiàn)代熱界面材料時(shí)。散熱器可以是明確的機(jī)械設(shè)備或具有足夠表面積的印刷電路板跡線（圖3）。
圖3：您可以表示2盎司銅印刷電路板走線的熱阻，單位為攝氏度/瓦，與走線面積的函數(shù)關(guān)系。這種厚度的銅是大多數(shù)印刷電路板的典型特征。
雖然這些方程式很簡單，可以快速檢查給定MOSFET在特定應(yīng)用中的適用性，但R ON對結(jié)溫的強(qiáng)依賴性使計(jì)算有些復(fù)雜化。溫度上升約80℃導(dǎo)致R ON值增加40％。您需要在分析傳導(dǎo)損耗時(shí)包含此行為，以計(jì)算實(shí)際溫升。
如果在公式1中包含R ON的溫度系數(shù)，則得到：
和
其中δ是R ON的溫度系數(shù)，單位為°C -1，P D是動(dòng)態(tài)損耗項(xiàng)，與R ON無關(guān)。
當(dāng)你替換這些變量為公式2，解決了設(shè)備的Δ 牛逼 S，你會發(fā)現(xiàn)：
和
公式4提供了結(jié)溫升高與負(fù)載電流和一組特定MOSFET參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。對于商業(yè)應(yīng)用，結(jié)溫約為105℃通常是良好的首次切割。
計(jì)算動(dòng)態(tài)損失
上升和下降時(shí)間取決于MOSFET和柵極驅(qū)動(dòng)電路的特性。柵極電荷Q G是柵極電容和驅(qū)動(dòng)電壓的乘積，通常為4.5V。柵極電容與柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗相結(jié)合，以限制柵極上升和下降時(shí)間：
和
在這些等式中，V G是等效柵極電壓，V P是柵極驅(qū)動(dòng)脈沖幅度，R P是柵極驅(qū)動(dòng)輸出阻抗，C G是柵極電容。
當(dāng)V G達(dá)到V P的 99％時(shí)，MOSFET完全導(dǎo)通。如果將此關(guān)系替換回公式5，則上升和下降時(shí)間將減少為：
您現(xiàn)在可以計(jì)算每個(gè)設(shè)備的總動(dòng)態(tài)損耗：
和
其中V G是參考設(shè)備的門驅(qū)動(dòng)器。
完成設(shè)計(jì)
從制造商的數(shù)據(jù)表或印刷電路板走線的尺寸確定散熱器的熱阻。圖3顯示了具有2盎司銅的單層印刷電路板的印刷電路板走線熱阻，而其中MOSFET位于其中心的方形銅區(qū)域。根據(jù)可用的印制電路板面積，銅可以作為MOSFET的散熱器。值得注意的是，對于小型設(shè)備，增加超過2平方英寸的面積將不會明顯降低熱阻。
在電子表格中，編譯適合您應(yīng)用的MOSFET數(shù)據(jù)庫。對于同步整流器Q 2，MOSFET必須滿足應(yīng)用的電壓和電流要求。它還必須具有足夠低的R ON，以使傳導(dǎo)損耗足夠小以滿足效率目標(biāo)。對于這種MOSFET，柵極電荷在功耗方面起著次要作用。
對于控制裝置Q 1，動(dòng)態(tài)或開關(guān)損耗是主要因素，并且傳導(dǎo)損耗起次要作用。MOSFET應(yīng)滿足電壓和電流規(guī)范，并盡可能降低柵極電荷，以保持較小的動(dòng)態(tài)損耗。其次，尋找具有中等R ON的設(shè)備。
求解方程3和4，了解數(shù)據(jù)庫中所有MOSFET的溫升。然后，您可以選擇滿足溫升，封裝和價(jià)格要求的MOSFET。電子表格解決了選擇MOSFET的公式3和4，可以同時(shí)評估多個(gè)MOSFET。通過這種方式使用電子表格，您可以執(zhí)行“假設(shè)分析”分析，為應(yīng)用選擇最佳MOSFET。只要您已經(jīng)了解了設(shè)計(jì)中每個(gè)器件的導(dǎo)通和開關(guān)損耗要求，就可以將這種基本方法適用于其他拓?fù)洹?/div>
