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詳細(xì)介紹功率MOSFET選擇指南

發(fā)布時(shí)間:2018-10-17 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】為了限制本討論的范圍,請(qǐng)考慮采用同步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞腗OSFET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(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)選擇工具開(kāi)發(fā)。
 
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(lái)越重要。這種方法可以加速開(kāi)發(fā)周期,同時(shí)優(yōu)化特定于應(yīng)用的設(shè)計(jì)。
 
經(jīng)常通過(guò)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。這種常用工具可以顯著縮短選擇時(shí)間,同時(shí)為設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)親密,逐步的選擇過(guò)程。與算法編程語(yǔ)言相比,在電子表格中實(shí)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(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)考慮采用同步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞腗OSFET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(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)選擇工具開(kāi)發(fā)。
 
一旦選擇了拓?fù)浣Y(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(biāo)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用兩個(gè)n溝道MOSFET。Q 1是開(kāi)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(fù)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(kāi)關(guān)損耗在Q 1中的功耗中占主導(dǎo)地位,因?yàn)榕cQ 2相比,其占空比相對(duì)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(kāi)關(guān)間隔開(kāi)始時(shí),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(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),它決定了Q 2的功耗。最小化該歐姆項(xiàng)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(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,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(lán)色三角形下面的區(qū)域描繪了切換過(guò)渡時(shí)間期間的動(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)頻率成比例。
 
圖2:開(kāi)關(guān)Q 1產(chǎn)生I D(綠色)和V DS(紅色)的特征波形。這兩個(gè)波形的乘積給出了瞬時(shí)功耗P D(藍(lán)色)。
 
傳導(dǎo)損耗與MOS器件的導(dǎo)通狀態(tài)溝道電阻成正比:
其中I D是漏極電流,R ON是制造商規(guī)定的標(biāo)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(kāi)關(guān)損耗。這種損失還取決于開(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。
 
MOSFET選擇的起伏
 
控制開(kāi)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(xiàng)反映了傳導(dǎo)損耗,第二項(xiàng)反映了動(dòng)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(kāi)關(guān)頻率; t r和t f分別是切換上升和下降時(shí)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(xiàng)是傳導(dǎo)損耗,第二項(xiàng)是開(kāi)關(guān)損耗。注意D是Q 1的占空比。最后一項(xiàng)V D是體二極管正向電壓。通過(guò)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(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)。
 
通過(guò)計(jì)算兩個(gè)器件的功耗,您可以根據(jù)封裝和散熱器的熱阻計(jì)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(gè)小型的散熱器術(shù)語(yǔ),通??梢院雎圆挥?jì) - 特別是當(dāng)您使用現(xiàn)代熱界面材料時(shí)。散熱器可以是明確的機(jī)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(jiǎn)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(duì)結(jié)溫的強(qiáng)依賴性使計(jì)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(shí)包含此行為,以計(jì)算實(shí)際溫升。
如果在公式1中包含R ON的溫度系數(shù),則得到:
其中δ是R ON的溫度系數(shù),單位為°C -1,P D是動(dòng)態(tài)損耗項(xiàng),與R ON無(wú)關(guān)。
當(dāng)你替換這些變量為公式2,解決了設(shè)備的Δ 牛逼 S,你會(huì)發(fā)現(xiàn):
公式4提供了結(jié)溫升高與負(fù)載電流和一組特定MOSFET參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于商業(yè)應(yīng)用,結(jié)溫約為105℃通常是良好的首次切割。
 
計(jì)算動(dòng)態(tài)損失
 
上升和下降時(shí)間取決于MOSFET和柵極驅(qū)動(dòng)電路的特性。柵極電荷Q G是柵極電容和驅(qū)動(dòng)電壓的乘積,通常為4.5V。柵極電容與柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗相結(jié)合,以限制柵極上升和下降時(shí)間:
在這些等式中,V G是等效柵極電壓,V P是柵極驅(qū)動(dòng)脈沖幅度,R P是柵極驅(qū)動(dòng)輸出阻抗,C G是柵極電容。
 
當(dāng)V G達(dá)到V P的 99%時(shí),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(shí)間將減少為:
您現(xiàn)在可以計(jì)算每個(gè)設(shè)備的總動(dòng)態(tài)損耗:
其中V G是參考設(shè)備的門(mén)驅(qū)動(dòng)器。
 
完成設(shè)計(jì)
 
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(duì)于小型設(shè)備,增加超過(guò)2平方英寸的面積將不會(huì)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(kù)。對(duì)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(biāo)。對(duì)于這種MOSFET,柵極電荷在功耗方面起著次要作用。
 
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,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(dòng)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(kù)中所有MOSFET的溫升。然后,您可以選擇滿足溫升,封裝和價(jià)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(shí)評(píng)估多個(gè)MOSFET。通過(guò)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(jì)中每個(gè)器件的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗要求,就可以將這種基本方法適用于其他拓?fù)洹?/div>
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