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，同時優(yōu)化特定于應(yīng)用的設(shè)計。

 

經(jīng)常通過功率MOSFET選擇過程的PC主板和電源設(shè)計人員可以從使用電子表格的自動化過程中受益。這種常用工具可以顯著縮短選擇時間，同時為設(shè)計人員提供一個親密，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)換器拓撲的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)上升和下降時間。此信息指導(dǎo)選擇工具開發(fā)。

 

一旦選擇了拓撲結(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)換器拓撲結(jié)構(gòu)使用兩個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，因為與Q 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，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載電流。

 

電子表格包括靜態(tài)和動態(tài)損耗的計算，后者是開關(guān)和柵極驅(qū)動損耗的總和。為了便于動態(tài)損耗計算，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。藍色三角形下面的區(qū)域描繪了切換過渡時間期間的動態(tài)損耗，每個周期發(fā)生兩次。因此，總動態(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。這兩個波形的乘積給出了瞬時功耗P D（藍色）。

 

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)動電壓，C GS是柵極 - 源極電容，f是開關(guān)頻率。

 

 

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，第一項反映了傳導(dǎo)損耗，第二項反映了動態(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，第一項是傳導(dǎo)損耗，第二項是開關(guān)損耗。注意D是Q 1的占空比。最后一項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)動態(tài)。

 

通過計算兩個器件的功耗，您可以根據(jù)封裝和散熱器的熱阻計算溫升：

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。還有一個小型的散熱器術(shù)語，通常可以忽略不計 - 特別是當您使用現(xiàn)代熱界面材料時。散熱器可以是明確的機械設(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)溫的強依賴性使計算有些復(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)損耗時包含此行為，以計算實際溫升。

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是動態(tài)損耗項，與R ON無關(guān)。

當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。

 

 

上升和下降時間取決于MOSFET和柵極驅(qū)動電路的特性。柵極電荷Q G是柵極電容和驅(qū)動電壓的乘積，通常為4.5V。柵極電容與柵極驅(qū)動器的輸出阻抗相結(jié)合，以限制柵極上升和下降時間：

和

在這些等式中，V G是等效柵極電壓，V P是柵極驅(qū)動脈沖幅度，R P是柵極驅(qū)動輸出阻抗，C G是柵極電容。

 

當V G達到V P的 99％時，MOSFET完全導(dǎo)通。如果將此關(guān)系替換回公式5，則上升和下降時間將減少為：

您現(xiàn)在可以計算每個設(shè)備的總動態(tài)損耗：

和

其中V G是參考設(shè)備的門驅(qū)動器。

 

 

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。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，可以同時評估多個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)計中每個器件的導(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撲。