MOSFET在DC-DC中的作用.pdf

同步整流降压式DC/DC转换器都采用控制器和外接功率MOSFET的结构。控制器生产商会在数据资料中 给出参数齐全的应用电路，但用户的使用条件经常与典型应用电路不同，要根据实际情况改变功率 MOSFET的参数。 对功率MOSFET的要求 同步整流降压式DC/DC转换器的输入及输出部分电路如图1所示，它是由带驱动MOSFET的控制器及外 接开关管(Q1)及同步整流管(Q2)等组成。目前，Q1和Q2都采用N沟道功率MOSFET，因为它们能满足 DC/DC转换器在输入电压、开关频率、输出电流及减少损耗上的要求。 图1 同步整流降压式DC/DC转换器的输入及输出部分电路简图 开关管与同步整流管的工作条件不同，其损耗也不一样。开关管有传导损耗(或称导通损耗)和栅极 驱动损耗(或称开关损耗)，而同步整流管只有传导损耗。 传导损耗是由MOSFET的导通电阻RDS(on)造成的，其损耗与i2D、RDS(on)及占空比大小有关，要减少 传导损耗需要选用RDS(on)小的功率MOSFET。新型MOSFET的RDS(on)在VGS=10V时约 10mΩ左右，有 一些新产品在VGS=10V时可做到RDS(on)约2～3mΩ。 栅极驱动损耗是在开关管导通及关断瞬间，在一定的栅源电压VGS下，对MOSFET的极间电容(如图2 所示)进行充电(建立VGS电压，使MOSFET导通)和放电(让VGS=0，使MOSFET关断)造成的损耗。此损耗 与MOSFET的输入电容Ciss或反馈电容Crss、栅极驱动电压VGS及开关频率fsw成比例。要减小此损耗， 就要选择Ciss或Crss小、阈值电压VGS(th)低的功率MOSFET。 图2 MOSFET的极间电容 同步整流管也是工作在开关状态(其开关频率与开关管相同)，但因同步整流管工作于零电压(VGS≈ 0V)状态(如图3所示)，其开关损耗可忽略不计 图3 同步整流管导通时，VDS≈0V 为满足DC/DC转换器的工作安全、可靠及高效率，所选的功率MOSFET要在一定的栅极驱动电压下满足 以下的条件：MOSFET的耐压要大于最大的输入电压，即VDSSVin(max) ；MOSFET的漏极电流要大于 或等于最大输出电流，即ID≥IOUT(max)；选择Ciss或Crss尽量小的开关管，选择RDS(on)尽量小的 同步整流管，使MOSFET的损耗最小，并满足其损耗值小于PD(PD为一定条件下的MOSFET允许耗散功 率)。另外，还要选择价格适中、封装尺寸小的(如SO-8、DPAK或D2PAK封装)贴片式MOSFET。 MOSFET的损耗计算 DC/DC控制器生产厂家在数据资料中给出开关管及同步整流管的损耗计算公式，其中开关损耗的计算 往往是经验公式，因此各DC/DC控制器生产厂家的公式是不相同的，要按该型号资料提供的损耗公式 计算，否则会有较大的计算误差。 损耗计算的方法是，根据已知的使用条件先初选一个功率MOSFET，要满足VDSSVin(max)、ID≥ IOUT(max)、Ciss或Crss小、RDS(on)小的要求，然后按公式计算其损耗。若计算出来的损耗小于一 定条件下的PD，则计算有效，可选用初选的功率MOSFET；若计算出来的损耗大于PD，则重新再选择 或采用两个功率MOSFET并联，使1/2(计算出来的损耗)PD。 计算前要已知：输入电压VIN(或 Vin(max)及VIN(min))、输出电压VOUT、最大输出电流IOUT(max)、 开关频率fsw。一般所选的MOSFET的PD往往是1～1.5W，其目的是减小损耗、提高效率。 本文介绍美信公司的MAX8720单相降压式DC/DC控制器及飞兆公司的多相降压式DC/DC控制器 FAN5019B组成的电路中的MOSFET损耗计算。损耗计算公式是非常简单的，关键是如何从MOSFET样本 或数据资料中正确地选取有关参数。 MOSFET主要参数的选取 ID及PD值的选取 MOSFET的资料中，漏极电流ID及允许耗散功率PD值在不同条件下是不同的，其数值相差很大。例如， N沟道功率MOSFET IRF6617的极限参数如表1所示。 表1 连续工作状态下的极限值