嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)在選擇電源FET中的應(yīng)用

最新的嵌入式設(shè)計(jì)為各行各業(yè)及各種應(yīng)用提供了大量復(fù)雜的新產(chǎn)品和新服務(wù)。由于精簡(jiǎn)成本的限制及提高性能的預(yù)期，嵌入式設(shè)計(jì)正在為各種包括家電、工具、建筑、服裝及我們周圍幾乎所有物品在內(nèi)的日常應(yīng)用提供更小、更經(jīng)濟(jì)的解決方案。

這些嵌入式設(shè)計(jì)通常由一個(gè)微控制器和各種二級(jí)接口構(gòu)成，如電源。能夠放心且迅速簡(jiǎn)便地選擇電源的元器件對(duì)提供可靠的更小、更經(jīng)濟(jì)的解決方案至關(guān)重要。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要使用直觀的測(cè)試測(cè)量工具，快速獲得優(yōu)化結(jié)果。本文重點(diǎn)介紹了電源分析的實(shí)際應(yīng)用，采用特定測(cè)量技術(shù)更加高效地選擇和確定相應(yīng)的元器件。

電源分析

在本例中，我們要為開(kāi)關(guān)電源選擇最好的電源FET。晶體管的總功率損耗主要是開(kāi)關(guān)損耗，但開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算起來(lái)要困難得多。我們可以根據(jù)FET的電流和開(kāi)點(diǎn)電阻，相對(duì)簡(jiǎn)便地計(jì)算開(kāi)關(guān)電源的靜態(tài)損耗。

因?yàn)槌杀竞凸β蕮p耗是一對(duì)矛盾，而我們的目標(biāo)是選擇成本最低的部件，其總功耗不超過(guò)0.5 W。在這里，我們預(yù)先確定要測(cè)試的四個(gè)晶體管。

圖1是標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)電源的方框圖。我們使用差分探頭測(cè)量流經(jīng)晶體管的電壓，并使用電流探頭測(cè)量流經(jīng)晶體管的電流。接下來(lái)，我們將考察使用這一測(cè)試設(shè)備測(cè)得的開(kāi)關(guān)損耗。

圖2顯示的是開(kāi)關(guān)晶體管通道1的電壓(黃色軌跡)和通道4的電流(綠色軌跡)，可以用來(lái)計(jì)算功率損耗。注意，平滑電感器要足夠大，以便電流在晶體管打開(kāi)期間不會(huì)上升得太高。此處簡(jiǎn)化了晶體管中的功率損耗計(jì)算過(guò)程，因?yàn)殡娏髟诖蜷_(kāi)期間上升大約不到10%，因此我們可以使用平均電流進(jìn)行計(jì)算。靜態(tài)功率損耗是平方后的電流乘以電阻，然后再乘以占空比 (I2R×占空比)。每個(gè)元器件在2A處的靜態(tài)功率損耗已經(jīng)被計(jì)算出并列在表1中。

圖3是測(cè)得的額定電流最低的晶體管(NMD9700)的開(kāi)關(guān)功率損耗。我們使用泰克DPOPWR分析軟件，設(shè)置成在通道1上使用差分電壓探頭測(cè)量流經(jīng)晶體管的電壓(黃色軌跡)，在通道4上使用電流探頭測(cè)量電流(綠色軌跡)。它顯示了打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程中的開(kāi)關(guān)損耗，我們將使用總平均損耗值，因?yàn)檫@是兩個(gè)開(kāi)關(guān)損耗的綜合結(jié)果。要注意，功率損耗主要取決于關(guān)閉過(guò)程。1.53W的總損耗(0.54W靜態(tài)損耗+0.99W開(kāi)關(guān)損耗)明顯高于我們的目標(biāo)（<0.5W）?？磥?lái)，成本最低的FET($ 0.88)不能滿足我們的需求。很明顯，即使是該晶體管的靜態(tài)損耗，仍然要高于我們的目標(biāo)損耗。

下一個(gè)晶體管(NMD9720)的額定電流較高，成本也略高。如圖4所示，平均開(kāi)關(guān)損耗較低，但其打開(kāi)損耗要高于第一個(gè)晶體管。靜態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗較低，但總損耗0.54W (0.19W靜態(tài)損耗+ 0.35W 開(kāi)關(guān)損耗)仍要高于我們的目標(biāo)（<0.5W）。成本第二低的部件($ 0.97)似乎更接近我們的功率損耗目標(biāo)，但由于封裝限制，在環(huán)境溫度高時(shí)，我們不能在沒(méi)有過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)的情況下處理高于我們目標(biāo)的功率損耗。

[!--empirenews.page--]圖5是第三個(gè)晶體管(NMD9740)，其平均功率損耗較低，但成本較高。其總損耗為0.41W (0.08W靜態(tài)損耗+0.33W 開(kāi)關(guān)損耗)，低于我們的目標(biāo)，因此這一產(chǎn)品不會(huì)過(guò)熱。產(chǎn)品成本為$1.83，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以前的選項(xiàng)，但產(chǎn)品封裝限制不允許使用損耗較低的設(shè)備。看上去這似乎是最好的選擇，但我們要看一下第四個(gè)部件（其靜態(tài)損耗要更低）來(lái)確認(rèn)這一選擇是否正確。

如圖6所示，第四個(gè)、也就是成本最高的晶體管(NMD9760)平均功率損耗較高，因?yàn)檫@是一個(gè)非常大的設(shè)備?？倱p耗為0.55W (0.03W靜態(tài)損耗 + 0.52W 開(kāi)關(guān)損耗)，高于第三個(gè)設(shè)備，同時(shí)也高于我們的目標(biāo)< 0.5W。因此，我們可以看到，如果晶體管太大，那么開(kāi)關(guān)損耗實(shí)際上會(huì)上升，產(chǎn)品要比成本較低的第三個(gè)晶體管熱。由于總功率損耗及成本，第四個(gè)晶體管并不是可行的選擇。

迅速簡(jiǎn)便地測(cè)量電源晶體管中開(kāi)關(guān)損耗的能力，使我們可以放心可靠地選擇電源的關(guān)鍵元器件。在本例中，第三個(gè)選項(xiàng)(NMD9740)提供了最低的總功率損耗，滿足了我們的總損耗目標(biāo)，因此熱縮器可以保持很小的體積，產(chǎn)品不會(huì)過(guò)熱。

電源測(cè)量和分析軟件為這類應(yīng)用及許多其它應(yīng)用提供了多種電源測(cè)量功能。如果晶體管的rDS(ON)未知或需要確認(rèn)，也可以使用我們?cè)?strong>開(kāi)關(guān)損耗測(cè)量中使用的相同的測(cè)試設(shè)置進(jìn)行這一測(cè)量。還可以使用圖7所示的選擇菜單來(lái)測(cè)量電源的工作狀況，如頻率、占空比和其它參數(shù)。此外，可以檢定電感器或變壓器的電感、磁性損耗和其它指標(biāo)。

在設(shè)計(jì)電源時(shí)，結(jié)合使用電源測(cè)量和分析軟件可以節(jié)約時(shí)間，與不使用這些強(qiáng)大的工具相比，提供的結(jié)果要更準(zhǔn)確。由于熱量是電子系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因，因此進(jìn)行這一測(cè)量及類似測(cè)量尤其關(guān)鍵。如我們?cè)诘谒膫€(gè)晶體管看到的那樣，體積過(guò)大的元器件實(shí)際上會(huì)浪費(fèi)熱量和成本。