降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器的MOSFET選擇

北京航空航天大學 方佩敏

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。

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)管有傳導損耗(或稱導通損耗)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損耗。

傳導損耗是由MOSFET的導通電阻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。

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。
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的耐壓要大于的輸入電壓，即VDSS>Vin(max) ；MOSFET的漏極電流要大于或等于輸出電流，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，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)<PD。

計算前要已知：輸入電壓VIN(或 Vin(max)及VIN(min))、輸出電壓VOUT、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

漏極電流IDM=120A(以結(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極限值(Tj=25℃，否則另外說明)

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)<ID≤連續(xù)或短時的值。例如，表1中的ID可取11～55A，表2中的ID可取16～35A。PD一般選值。

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)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。

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)。

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。

開關(guān)管傳導損耗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<PD，可以選用SI7390DP及SI7356DP。

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?，F(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)。

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。

開關(guān)管傳導損耗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)。