【導(dǎo)讀】電源系統(tǒng)開關(guān)控制器的MOSFET選擇是一個復(fù)雜的過程。不僅僅要考慮MOSFET的額定電壓和電流,還必須在低柵極電荷和低導(dǎo)通電阻之間取得平衡。如果是多負(fù)載電源系統(tǒng)則更加復(fù)雜。但如果選擇正確,就可以實現(xiàn)低成本、高效率的電源系統(tǒng)。
DC/DC開關(guān)控制器的MOSFET選擇是一個復(fù)雜的過程。僅僅考慮MOSFET的額定電壓和電流并不足以選擇到合適的MOSFET。要想讓MOSFET維持在規(guī)定范圍以內(nèi),必須在低柵極電荷和低導(dǎo)通電阻之間取得平衡。在多負(fù)載電源系統(tǒng)中,這種情況會變得更加復(fù)雜。
DC/DC開關(guān)電源因其高效率而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代許多電子系統(tǒng)中。例如,同時擁有一個高側(cè)FET和低側(cè)FET的降壓同步開關(guān)穩(wěn)壓器,如圖1所示。這兩個FET會根據(jù)控制器設(shè)置的占空比進(jìn)行開關(guān)操作,旨在達(dá)到理想的輸出電壓。降壓穩(wěn)壓器的占空比方程式如下:
圖1: 降壓同步開關(guān)穩(wěn)壓器原理圖
FET可能會集成到與控制器一樣的同一塊芯片中,從而實現(xiàn)一種最為簡單的解決方案。但為了提供高電流能力及(或)達(dá)到更高效率,F(xiàn)ET需要始終為控制器的外部元件,這樣可以實現(xiàn)最大散熱能力,因為它讓FET物理隔離于控制器,并且擁有最大的FET選擇靈活性。缺點是FET選擇過程更加復(fù)雜,原因是要考慮的因素有很多。
一個常見問題是“為什么不讓這種10A FET也用于我的10A設(shè)計呢?”答案是這種10A額定電流并非適用于所有設(shè)計。選擇 FET 時需要考慮的因素包括額定電壓、環(huán)境溫度、開關(guān)頻率、控制器驅(qū)動能力和散熱組件面積。關(guān)鍵問題是,如果功耗過高且散熱不足,則FET可能會過熱起火。用戶可以利用封裝/散熱組件ThetaJA或者熱敏電阻、FET功耗和環(huán)境溫度估算某個FET的結(jié)溫,具體方法如下:
它要求計算FET的功耗。這種功耗可以分成兩個主要部分:AC和DC損耗??梢酝ㄟ^下列方程式計算得到:
其中,Vds為高側(cè)FET的輸入電壓,Ids為負(fù)載電流,trise和tfall為FET的升時間和降時間,而Tsw為控制器的開關(guān)時間(1/開關(guān)頻率)。
其中,RDSON為FET的導(dǎo)通電阻,而IOUT為降壓拓?fù)涞呢?fù)載電流。
其他損耗形成的原因還包括輸出寄生電容、門損耗,以及低側(cè)FET空載時間期間導(dǎo)電帶來的體二極管損耗,但在本文中將主要討論AC和DC損耗。
圖2:AC損耗圖
圖3:開關(guān)頻率對AC損耗的影響
開關(guān)處在導(dǎo)通狀態(tài)下出現(xiàn)D C損耗,其原因是FET的導(dǎo)通電阻。這是一種十分簡單的I2R損耗形成機制,如圖4所示。但是,導(dǎo)通電阻會隨FET結(jié)溫而變化,這便使得這種情況更加復(fù)雜。
圖4:DC損耗圖
所以,使用公式3、4和5準(zhǔn)確計算導(dǎo)通電阻時,就必須使用迭代方法,并要考慮到FET的溫升。降低DC損耗最簡單的一種方法是選擇一個低導(dǎo)通電阻的FET。另外,DC損耗大小同F(xiàn)ET 的百分比導(dǎo)通時間成正比例關(guān)系,其為高側(cè)FET控制器占空比加上1減去低側(cè)FET占空比,如前所述。由圖5可以知道,更長的導(dǎo)通時間就意味著更大的DC開關(guān)損耗,因此,可以通過減小導(dǎo)通時間/FET占空比來降低DC損耗。例如,如果使用了一個中間DC電壓軌,并且可以修改輸入電壓的情況下,設(shè)計人員或許就可以修改占空比。
圖5:占空比對DC損耗的影響
盡管選擇一個低柵極電荷和低導(dǎo)通電阻的FET是一種簡單的解決方案,但是需要在這兩種參數(shù)之間做一些折中和平衡,如圖6所示。低柵極電荷通常意味著更小的柵極面積/更少的并聯(lián)晶體管,以及由此帶來的高導(dǎo)通電阻。另一方面,使用更大/更多并聯(lián)晶體管一般會導(dǎo)致低導(dǎo)通電阻,從而產(chǎn)生更多的柵極電荷。這意味著,F(xiàn)ET選擇必須平衡這兩種相互沖突的規(guī)范。另外,還必須考慮成本因素。
圖6:可有效平衡這兩種參數(shù)的一些新上市FET的導(dǎo)通電阻和柵極電荷對比圖
低占空比設(shè)計意味著高輸入電壓,對這些設(shè)計而言,高側(cè)FET大多時候均為關(guān)斷,因此DC損耗較低。但是,高FET電壓帶來高AC損耗,所以可以選擇低柵極電荷的FET,即使導(dǎo)通電阻較高。低側(cè)FET大多數(shù)時候均為導(dǎo)通狀態(tài),但是AC損耗卻最小。這是因為,導(dǎo)通/關(guān)斷期間低側(cè)FET的電壓因FET體二極管而非常地低。因此,需要選擇一個低導(dǎo)通電阻的FET,并且柵極電荷可以很高。圖7顯示了上述情況。
圖7:低占空比設(shè)計的高側(cè)和低側(cè)FET功耗
圖8:高占空比設(shè)計的高側(cè)和低側(cè)FET 功耗
假設(shè)一個負(fù)載點(POL)穩(wěn)壓器可以規(guī)定某個中間電壓軌的額定輸入電壓,那么最佳解決方案是什么呢,是高輸入電壓/低占空比,還是低輸入電壓/高占空比呢?在TI的WEBENCH電源設(shè)計師中創(chuàng)建一個設(shè)計,并以此作為例子。使用不同輸入電壓對占空比進(jìn)行調(diào)制,同時查看FET功耗情況。圖9中,高側(cè)FET反應(yīng)曲線圖表明,占空比從25%~40%時AC損耗明顯降低,而DC損耗卻線性增加。因此,35%左右的占空比,應(yīng)為選擇電容和導(dǎo)通電阻平衡FET的理想值。不斷降低輸入電壓并提高占空比,可以得到最低的AC損耗和最高的DC損耗,就此而言,可以使用一個低導(dǎo)通電阻的FET,并折中選擇高柵極電荷。
圖9:高側(cè)FET損耗與占空比的關(guān)系
如圖10所示,控制器占空比由低升高時DC損耗線性降低(低側(cè)FET導(dǎo)通時間更短),高控制器占空比時損耗最小。整個電路板的AC 損耗都很低,因此任何情況下都應(yīng)選擇使用低導(dǎo)通電阻的FET。
圖10:低側(cè)FET損耗與控制器占空比的關(guān)系
圖11顯示了我們將高側(cè)和低側(cè)損耗組合到一起時總效率的變化情況??梢钥吹剑@種情況下,高占空比時組合FET損耗最低,并且效率最高。效率從94.5%升高至96.5%。不幸的是,為了獲得低輸入電壓,必須降低中間電壓軌電源的電壓,使其占空比增加,原因是它通過一個固定輸入電源供電。因此,這樣可能會抵消在POL獲得的部分或者全部增益。另一種方法是不使用中間軌,而是直接從輸入電源到POL穩(wěn)壓器,目的是降低穩(wěn)壓器數(shù)。這時,占空比較低,必須小心地選擇FET。
圖11:總損耗與效率和占空比的關(guān)系
在有多個輸出電壓和電流要求的電源系統(tǒng)中,情況會更加復(fù)雜??梢岳肳EBENCH電源設(shè)計師工具,讓這類系統(tǒng)的折中選擇過程可視化。這種工具讓用戶可以看到使用不同中間軌電壓的各種情景,對比不同POL穩(wěn)壓器占空比的效率、成本和體積。圖12顯示了一個系統(tǒng),其輸入電壓為28V,共有8個負(fù)載,4個不同電壓,范圍為3.3~1.25V。共有3種對比方法:1)無中間軌,直接通過輸入電源提供28V電壓,以實現(xiàn)POL穩(wěn)壓器的低占空比;2)使用12V中間軌,POL穩(wěn)壓器中等占空比;3)使用5V中間軌,高POL穩(wěn)壓器占空比。
圖12:表明輸入、中間軌、負(fù)載點(POL)電源和負(fù)載的電源系統(tǒng)
圖13和表1顯示了對比結(jié)果。這種情況下,無中間軌電源的構(gòu)架實現(xiàn)了最低成本,12V中間軌電壓的構(gòu)架獲得了最高效率,而5V中間軌電壓構(gòu)架則實現(xiàn)了最小體積。因此,我們可以看到,對于這種大型系統(tǒng)而言,單POL電源情況下所看到的這些參數(shù)均沒有明顯的趨向。這是因為,使用多個穩(wěn)壓器時,除中間軌穩(wěn)壓器本身以外,每個穩(wěn)壓器都有其不同的負(fù)載電流和電壓要求,而這些需求可能會相互沖突。研究這種情況的最佳方法是使用如WEBENCH電源設(shè)計師等工具,對不同的選項進(jìn)行評估。
圖13:WEBENCH電源設(shè)計曲線圖
表1:中間軌電壓對電源系統(tǒng)效率、體積和成本的影響
總之,F(xiàn) E T選擇是一項復(fù)雜的工作,但如果選擇正確,可以實現(xiàn)低成本、高效率的電源系統(tǒng)。諸如WEBENCH電源設(shè)計等工具可以幫助用戶可視化地對比不同的方法,做出折中、平衡的選擇,從而快速地獲得理想設(shè)計。
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