降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器中MOSFET的要求和選擇,MOSFET selection

關(guān)鍵字：降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器中MOSFET的要求和選擇

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(shí)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?yàn)樗鼈兡軡M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。

圖1 同步整流降壓式dc/dc轉(zhuǎn)換器的輸入及輸出部分電路簡圖

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(dǎo)損耗(或稱導(dǎo)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(dǎo)損耗。

傳導(dǎo)損耗是由mosfet的導(dǎo)通電阻r_ds(on)造成的，其損耗與I²d、r_ds(on)及占空比大小有關(guān)，要減少傳導(dǎo)損耗需要選用r_ds(on)小的功率mosfet。新型mosfet的r_ds(on)在v_gs=10v時約 10mω左右，有一些新產(chǎn)品在v_gs=10v時可做到r_ds(on)約2～3mω。

柵極驅(qū)動損耗是在開關(guān)管導(dǎo)通及關(guān)斷瞬間，在一定的柵源電壓v_gs下，對mosfet的極間電容(如圖2所示)進(jìn)行充電(建立v_gs電壓，使mosfet導(dǎo)通)和放電(讓v_gs=0，使mosfet關(guān)斷)造成的損耗。此損耗與mosfet的輸入電容c_iss或反饋電容c_rss、柵極驅(qū)動電壓v_gs及開關(guān)頻率f_sw成比例。要減小此損耗，就要選擇c_iss或c_rss小、閾值電壓v_gs(th)低的功率mosfet。

圖2 mosfet的極間電容

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(v_gs≈0v)狀態(tài)(如圖3所示)，其開關(guān)損耗可忽略不計(jì)。

圖3 同步整流管導(dǎo)通時，vds≈0v

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的耐壓要大于最大的輸入電壓，即v_dss>v_in(max) ；mosfet的漏極電流要大于或等于最大輸出電流，即I_d≥I_out(max)；選擇c_iss或c_rss盡量小的開關(guān)管，選擇r_ds(on)盡量小的同步整流管，使mosfet的損耗最小，并滿足其損耗值小于p_d(p_d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v_dss、I_d及r_ds(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(jì)算才能確定。

mosfet的損耗計(jì)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(jì)算公式，其中開關(guān)損耗的計(jì)算往往是經(jīng)驗(yàn)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(jì)算，否則會有較大的計(jì)算誤差。

損耗計(jì)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v_dss>v_in(max)、I_d≥I_out(max)、c_iss或c_rss小、r_ds(on)小的要求，然后按公式計(jì)算其損耗。若計(jì)算出來的損耗小于一定條件下的p_d，則計(jì)算有效，可選用初選的功率mosfet；若計(jì)算出來的損耗大于p_d，則重新再選擇或采用兩個功率mosfet并聯(lián)，使1/2(計(jì)算出來的損耗)

d。

計(jì)算前要已知：輸入電壓vin(或 v_in(max)及vin(min))、輸出電壓vout、最大輸出電流I_out(max)、開關(guān)頻率f_sw。一般所選的mosfet的p_d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(jì)算。損耗計(jì)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

• I_d及p_d值的選取
  
  mosfet的資料中，漏極電流I_d及允許耗散功率p_d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
  
  
  最大漏極電流idm=120a(以最大結(jié)溫為限的脈沖狀態(tài)工作)。
  
  不同的mosfet生產(chǎn)廠家對I_d及p_d的表達(dá)方式不同。例如，安森美公司的ntmfs4108n的I_d及p_d參數(shù)如表2所示。
  
  表2最大極限值(tj=25℃，否則另外說明)
  
  注：*安裝條件1為mosfet安裝在敷銅鈑面積為6.5cm2的焊盤上(見圖4)
  **安裝條件2為mosfet安裝在敷銅鈑面積為2.7cm2的焊盤上(見圖4)
  
  最大漏電流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I_d及p_d值。I_d可在下面的范圍內(nèi)選?。?ta=70～85℃時的I_d)d≤連續(xù)或短時的最大值。例如，表1中的I_d可取11～55a，表2中的I_d可取16～35a。P_d一般選最小值。
  
• r_ds(on)值的選取
  
  mosfet資料中給出結(jié)溫tj=25℃及v_gs=10v及v_gs=4.5v時的典型 r_ds(on)值及最大r_ds(on)值。另外，r_ds(on)也隨結(jié)溫上升而增加。一般r_ds(on)是在已知的v_gs條件下(由驅(qū)動器或控制器的vcc決定)，取r_ds(on)最大值為計(jì)算值。
  
• c_iss及c_rss的選取
  
  在計(jì)算開關(guān)管損耗時要用到輸入電容c_iss(c_iss=c_gd+c_gs)或反饋電容c_rss(c_rss=c_gs)值。為減小開關(guān)損耗，要選擇c_iss或c_rss小的mosfet。C_iss一般為上千到數(shù)千pf，而c_rss一般為幾十到幾百pf。
  “mosfett選擇指南”或“簡略表”中往往沒有c_iss或c_rss參數(shù)，但有總柵極電容qg值。由于qg小的mosfet，其c_iss或c_rss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c_iss或c_rss值。有的數(shù)據(jù)資料的參數(shù)表中無c_iss或c_rss參數(shù)，但有c_iss和c_rss與vds的特性曲線，可取vds=15v時的c_iss或c_rss值作為計(jì)算值，如圖5所示。

圖4 mosfet焊盤(敷銅板)尺寸

圖5 c_iss和c_rss與vds的特性曲線

應(yīng)用實(shí)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。現(xiàn)使用條件為vin=7～24v、vout=1.25v、I_out(max)=15a、f_sw=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)。
  
  
  
  圖6 由max8720組成的降壓式dc/dc電路
  
  
  初選vishay公司的si7390dp作nh(其qg僅10nc)；si7356dp作nl (r_ds(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。
  
  表3
  注：*由特性曲線中求得；**印制板焊盤面積最小的值。
  
  
  1. 開關(guān)管傳導(dǎo)損耗pd(n_hr)計(jì)算
     
     pd(n_hr)=(vout/vin(min))(I_out(max))2×r_ds(on)
     =(1.25v/7v)×15a2×13.5mω
     =0.54w
     
  2. 開關(guān)管的柵極驅(qū)動損耗pd(n_hs)計(jì)算
     
     pd(n_hs)=[(v_in(max))2×c_rss×f_sw×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(n_h)為
     
     pd(n_h)=pd(n_hr)+pd(n_hs)
     =0.54w+0.168w
     =0.708w<1.1w
     
  3. 同步整流管的傳導(dǎo)損耗pd(n_lr)計(jì)算
     
     pd(n_lr)=[1-(vout/v_in(max))]×(I_out(max))2×r_ds(on)
     =[1-(1.25v/24v)]×15a2×4mω
     =0.85w<1.9w
     
     根據(jù)上述計(jì)算，滿足計(jì)算的損耗值

     d，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，I_o=65a(I_o即I_out(max))，f_sw=228khz，選擇開關(guān)管及同步整流管(采用兩個并聯(lián)組成)。
  
  
  圖7 由fan5019b組成的降壓式dc/dc電路
  
  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r_ds(on)=11.9mω)。其主要參數(shù)如表4所示。
  
  表4
  
  注：*p_d與pcb的敷銅板面積有關(guān)，此為面積最小值。
  
  1. 開關(guān)管傳導(dǎo)損耗p_c(mf)計(jì)算
     
     p_c(mf)=d[(I_o/n_mf)2+1/12(n×I_r/n_mf)2]×r_ds(on)
     
     式中d為占空比(d=vin/vout) ；I_r為紋電流(I_r=1/n×I_o×40%）；n_mf為總的開關(guān)管數(shù)；n為相數(shù)；I_o=I_out(max)。I_r計(jì)算得I_r=8.66a，代入公式：
     
     p_c(mf)=15v/12v[(65a/3)2+1/12(3×8.66a/2)2]×15mω=0.89w
     
  2. 開關(guān)管的柵極驅(qū)動損耗p_s(mf)計(jì)算
     
     p_s(mf)=2f_sw×vcc×(I_o/n_mf)×rg×(n_mf/n)×c_iss
     =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最小面積下的p_d值，因此只要pcb有較大的焊盤，則這0.02w可略而不計(jì)。
     
  3. 同步整流管傳導(dǎo)損耗psf計(jì)算
     
     psf=(1-d)[(I_o/nsf)2+1/12(nir/nsf)2] r_ds(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(jì)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、I_out(max)=65a、f_sw=228khz的使用要求。

結(jié)束語

由于上述損耗計(jì)算是較粗略的，所以在mosfet選定后，還要通過實(shí)驗(yàn)來證實(shí)選擇是否合適。在實(shí)用上，為安全起見，mosfet的焊盤面積可取得大一些(如6.5cm2)。

參考文獻(xiàn)

1. maxim公司的max8720數(shù)據(jù)資料
2. 2fairchild公司的fan5019b及fan5009數(shù)據(jù)資料
3. 3vishay公司、fairchild公司、on semiconductor公司、ir公司的mosfet資料