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),。控制器生產(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,，因為它們能滿足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。

圖1 同步整流降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入及輸出部分電路簡圖

       開關(guān)管與同步整流管的工作條件不同,，其損耗也不一樣,。開關(guān)管有傳導(dǎo)損耗(或稱導(dǎo)通損耗)和柵極驅(qū)動損耗(或稱開關(guān)損耗)，而同

步整流管只有傳導(dǎo)損耗,。

       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時約  10mΩ左右，有一些新產(chǎn)品在VGS=10V時可做到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。

圖2 MOSFET的極間電容

       同步整流管也是工作在開關(guān)狀態(tài)(其開關(guān)頻率與開關(guān)管相同),，但因同步整流管工作于零電壓(VGS≈0V)狀態(tài)(如圖3所示),，其開關(guān)損耗可忽略不計。

圖3 同步整流管導(dǎo)通時,，VDS≈0V

       為滿足DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作安全、可靠及高效率,，所選的功率MOSFET要在一定的柵極驅(qū)動電壓下滿足以下的條件：MOSFET的耐壓要大于最大的輸入電壓,，即VDSS>Vin(max) ；MOSFET的漏極電流要大于或等于最大輸出電流,，即ID≥IOUT(max),；選擇Ciss或Crss盡量小的開關(guān)管，選擇RDS(on)盡量小的同步整流管,，使MOSFET的損耗最小,，并滿足其損耗值小于PD(PD為一定條件下的MOSFET允許耗散功率)。另外,，還要選擇價格適中,、封裝尺寸小的(如SO-8、DPAK或D2PAK封裝)貼片式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)計算才能確定。

       MOSFET的損耗計算

       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算公式,，其中開關(guān)損耗的計算往往是經(jīng)驗公式,，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算,，否則會有較大的計算誤差,。

       損耗計算的方法是，根據(jù)已知的使用條件先初選一個功率MOSFET,，要滿足VDSS>Vin(max),、ID≥IOUT(max)、Ciss或Crss小,、RDS(on)小的要求,，然后按公式計算其損耗。若計算出來的損耗小于一定條件下的PD,，則計算有效,，可選用初選的功率MOSFET；若計算出來的損耗大于PD,，則重新再選擇或采用兩個功率MOSFET并聯(lián),，使1/2(計算出來的損耗)       計算前要已知：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損耗計算。損耗計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

       ID及PD值的選取

       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)

       注：*安裝條件1為MOSFET安裝在敷銅鈑面積為6.5cm2的焊盤上(見圖4)   
              **安裝條件2為MOSFET安裝在敷銅鈑面積為2.7cm2的焊盤上(見圖4)

       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)最大值為計算值,。

       Ciss及Crss的選取

       在計算開關(guān)管損耗時要用到輸入電容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時的Ciss或Crss值作為計算值,，如圖5所示。

圖4 MOSFET焊盤(敷銅板)尺寸

圖5 Ciss和Crss與VDS的特性曲線

       應(yīng)用實例

       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),。

圖6 由MAX8720組成的降壓式DC/DC電路

       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。

點擊看原圖

表3
       注：*由特性曲線中求得,；**印制板焊盤面積最小的值,。

       開關(guān)管傳導(dǎo)損耗PD(NHR)計算

       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)上述計算,，滿足計算的損耗值

       FAN5019B電路中的MOSFET選擇

       由控制器FAN5019B及3個驅(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(采用兩個并聯(lián)組成),。

點擊看原圖

       圖7 由FAN5019B組成的降壓式DC/DC電路

       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,。

表4

注：*PD與PCB的敷銅板面積有關(guān)，此為面積最小值,。

       開關(guān)管傳導(dǎo)損耗PC(MF)計算

       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。同步整流管傳導(dǎo)損耗PSF計算

       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),。

       通過上述計算,，選用3個FDD6696做開關(guān)管及6個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

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

       參考文獻

       1 MAXIM公司的MAX8720數(shù)據(jù)資料 
       2 FAIRCHILD公司的FAN5019B及FAN5009數(shù)據(jù)資料 
       3 Vishay公司,、Fairchild公司,、On Semiconductor公司、IR公司的MOSFET資料