選擇功率 MOSFET 的簡(jiǎn)單指南

鑒于現(xiàn)在可用的 MOSFET 可供選擇的范圍很廣，并且分配給主板電源的空間越來(lái)越小，使用可靠、一致的方法來(lái)選擇正確的 MOSFET 變得越來(lái)越重要。這種方法可以加快開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)優(yōu)化特定應(yīng)用的設(shè)計(jì)。

經(jīng)常經(jīng)歷功率 MOSFET 選擇過(guò)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(guò)程中受益。這種通用工具可以顯著減少選擇時(shí)間，同時(shí)讓設(shè)計(jì)人員能夠深入了解選擇過(guò)程。與算法編程語(yǔ)言相比，在電子表格中實(shí)施選擇方法提供了更大的交互性、易于微調(diào)以及構(gòu)建和維護(hù)零件數(shù)據(jù)庫(kù)的簡(jiǎn)單規(guī)定。

為了限制本討論的范圍，請(qǐng)考慮同步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞?MOSFET 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 涉及將損耗降至最低，并了解這些損耗如何依賴(lài)于開(kāi)關(guān)頻率、電流、占空比以及開(kāi)關(guān)上升和下降時(shí)間。此信息指導(dǎo)選擇工具的開(kāi)發(fā)。

選擇拓?fù)浜?，我們可以根?jù)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))來(lái)選擇 MOSFET。目標(biāo)是最大限度地減少傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)，并選擇具有足夠熱性能的設(shè)備。

檢查一個(gè)典型的降壓轉(zhuǎn)換器可以揭示器件要求如何根據(jù)電路位置而顯著變化。該電路從 12V 電源獲取電源并提供 1.5V 的輸出電壓，從而導(dǎo)致 Q 1的占空比 D 為1.5/12=0.125，同步整流器 Q 2的占空比 D 為 1-D 。開(kāi)關(guān)損耗在 Q 1中占主導(dǎo)地位，因?yàn)榕c Q 2相比，其占空比相對(duì)較小。Q 1的電壓偏移是源電壓。盡管 Q 2還必須切斷全電源電壓，但在其開(kāi)關(guān)間隔開(kāi)始時(shí)，體二極管將濾波電感器鉗位到地，因此 Q 2的偏移僅限于二極管壓降。小占空比和大偏移對(duì) 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)，支配著 Q 2的功耗。最小化這個(gè)歐姆項(xiàng)需要具有最低導(dǎo)通電阻的器件來(lái)處理基于成本預(yù)期和效率要求的負(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(kāi)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，我們需要參考代表性波形。在開(kāi)關(guān)之前，MOSFET 的功率耗散來(lái)自傳導(dǎo)損耗。藍(lán)色三角形下方的區(qū)域描繪了開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間的動(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(kāi)關(guān)頻率成正比。

傳導(dǎo)損耗與 MOS 器件的通態(tài)溝道電阻成正比其中 I D是漏極電流，R ON是制造商指定標(biāo)稱(chēng)環(huán)境溫度下的通道電阻，D 是 Q 1的占空比。柵極電容的充電和放電會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗。這種損耗還取決于開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率。

完成設(shè)計(jì)

根據(jù)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。具有 2 盎司銅的單層印刷電路板的印刷電路板走線熱阻與 MOSFET 位于其中心的方形銅區(qū)域。根據(jù)可用的印刷電路板面積，銅可以充當(dāng) MOSFET 的散熱器。值得注意的是，對(duì)于小型設(shè)備，增加超過(guò) 2 平方英寸的面積并不會(huì)明顯降低熱阻。

在電子表格中，編譯適合我們應(yīng)用的 MOSFET 數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于同步整流器 Q 2，MOSFET 必須滿(mǎn)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)損耗小到足以滿(mǎn)足效率目標(biāo)。對(duì)于這個(gè) MOSFET，柵極電荷在功耗中起次要作用。

對(duì)于控制裝置Q 1，動(dòng)態(tài)或開(kāi)關(guān)損耗是主要因素，傳導(dǎo)損耗起次要作用。MOSFET 應(yīng)滿(mǎn)足電壓和電流規(guī)范，并具有盡可能低的柵極電荷，以保持較小的動(dòng)態(tài)損耗。其次，尋找具有適度 R ON的設(shè)備。

通過(guò)以這種方式使用電子表格，我們可以執(zhí)行“假設(shè)”分析，為應(yīng)用選擇最佳 MOSFET。只要我們了解設(shè)計(jì)中每個(gè)器件的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗要求，我們就可以將此基本方法應(yīng)用于其他拓?fù)洹?