功率MOSFET如何正確選擇

鑒于現在可用的 MOSFET 可供選擇的范圍很廣，并且分配給主板電源的空間越來越小，使用可靠、一致的方法來選擇正確的 MOSFET 變得越來越重要。這種方法可以加快開發周期，同時優化特定應用的設計。

經常經歷功率 MOSFET 選擇過程的 PC 主板和電源設計人員可以從使用電子表格的自動化過程中受益。這種通用工具可以顯著減少選擇時間，同時讓設計人員能夠深入了解選擇過程。與算法編程語言相比，在電子表格中實施選擇方法提供了更大的交互性、易于微調以及構建和維護零件數據庫的簡單規定。

為了限制本討論的范圍，請考慮同步降壓轉換器拓撲的 MOSFET 選擇方法，該方法適用于 PC 主板和電信應用的 DC/DC 轉換器。為特定應用尋找合適的 MOSFET 涉及將損耗降至最低，并了解這些損耗如何依賴于開關頻率、電流、占空比以及開關上升和下降時間。此信息指導選擇工具的開發。

選擇拓撲后，我們可以根據其在電路中的位置和一些器件參數(例如擊穿電壓、載流能力、R ON和 R ON溫度系數)來選擇 MOSFET。目標是最大限度地減少傳導和開關，并選擇具有足夠熱性能的設備。

檢查一個典型的降壓轉換器可以揭示器件要求如何根據電路位置而顯著變化。該電路從 12V 電源獲取電源并提供 1.5V 的輸出電壓，從而導致 Q 1的占空比 D 為1.5/12=0.125，同步整流器 Q 2的占空比 D 為 1-D 。開關損耗在 Q 1中占主導地位，因為與 Q 2相比，其占空比相對較小。Q 1的電壓偏移是源電壓。盡管 Q 2還必須切斷全電源電壓，但在其開關間隔開始時，體二極管將濾波電感器鉗位到地，因此 Q 2的偏移僅限于二極管壓降。小占空比和大偏移對 Q 1的上升和下降時間性能提出了要求。導通損耗是 R ON的函數，支配著 Q 2的功耗。最小化這個歐姆項需要具有最低導通電阻的器件來處理基于成本預期和效率要求的負載電流。

電子表格包括靜態和動態損耗的計算，后者是開關和柵極驅動損耗的總和。為了便于動態損耗計算，我們需要參考代表性波形。在開關之前，MOSFET 的功率耗散來自傳導損耗。藍色三角形下方的區域描繪了開關轉換期間的動態損耗，每個周期發生兩次。因此，總動態損耗與開關頻率成正比。

傳導損耗與 MOS 器件的通態溝道電阻成正比其中 I D是漏極電流，R ON是制造商指定標稱環境溫度下的通道電阻，D 是 Q 1的占空比。柵極電容的充電和放電會導致開關損耗。這種損耗還取決于開關頻率，其中V G是柵極驅動電壓，C GS是柵極-源極電容，f 是開關頻率。

完成設計

根據制造商的數據表或印刷電路板走線的尺寸確定散熱器的熱阻。具有 2 盎司銅的單層印刷電路板的印刷電路板走線熱阻與 MOSFET 位于其中心的方形銅區域。根據可用的印刷電路板面積，銅可以充當 MOSFET 的散熱器。值得注意的是，對于小型設備，增加超過 2 平方英寸的面積并不會明顯降低熱阻。

在電子表格中，編譯適合我們應用的 MOSFET 數據庫。對于同步整流器 Q 2，MOSFET 必須滿足應用的電壓和電流要求。它還必須具有足夠低的 R ON，以使傳導損耗小到足以滿足效率目標。對于這個 MOSFET，柵極電荷在功耗中起次要作用。

對于控制裝置Q 1，動態或開關損耗是主要因素，傳導損耗起次要作用。MOSFET 應滿足電壓和電流規范，并具有盡可能低的柵極電荷，以保持較小的動態損耗。其次，尋找具有適度 R ON的設備。

通過以這種方式使用電子表格，我們可以執行“假設”分析，為應用選擇最佳 MOSFET。只要我們了解設計中每個器件的導通和開關損耗要求，我們就可以將此基本方法應用于其他拓撲。

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