如何為開(kāi)關(guān)模式電源選擇合適的MOSFET

1、前言

也許當(dāng)前市場(chǎng)上高性能功率 MOSFET 最常見(jiàn)的用途也是選擇最合適的 FET 的最大挑戰(zhàn)。性能、價(jià)格和尺寸之間的權(quán)衡從來(lái)沒(méi)有比在開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 中使用 MOSFET 的情況更混亂。

遍歷 SMPS 拓?fù)涞脑敱M列表，包括隔離的和非隔離的，并列出每種拓?fù)涞淖钪匾目紤]因素，可能需要一本小說(shuō)——以及比我這樣的簡(jiǎn)單營(yíng)銷工程師擁有更多技術(shù)知識(shí)的應(yīng)用專家。但我確實(shí)希望在本博客的后續(xù)段落中，我至少可以提供一些避免的提示和陷阱。

當(dāng)今市場(chǎng)上的大多數(shù) SMPS 應(yīng)用都在相對(duì)較高的頻率下運(yùn)行，從 100kHz 一直到兆赫茲范圍。這意味著與電機(jī)控制等低頻應(yīng)用不同，F(xiàn)ET 的選擇不僅僅與電阻和傳導(dǎo)損耗有關(guān)。頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大，這意味著性能最佳或效率最高的 FET 是最優(yōu)化低柵極（和其他）電荷與低導(dǎo)通電阻 R DS(上）。

說(shuō)到電荷，也不一定都與柵極電荷有關(guān)。柵極電荷 Q G決定了 FET 快速開(kāi)啟和關(guān)閉的能力，這是硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用的重要考慮因素，其中關(guān)閉速度越快，電壓/電流重疊的持續(xù)時(shí)間越短。這就是為什么經(jīng)典 MOSFET 硅品質(zhì)因數(shù) (FOM) 為 R DS(ON) * Q G 的原因，最低值表示最佳性能。但其他開(kāi)關(guān)參數(shù)可能同樣重要，甚至更重要，具體取決于應(yīng)用。在高側(cè)開(kāi)關(guān)期間，由輸出電容 C OSS決定的存儲(chǔ)能量損耗 E OSS會(huì)對(duì)整體系統(tǒng)效率產(chǎn)生很大影響（見(jiàn)圖 1）。

圖 1：降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中控制 FET 的功率損耗分解

為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)代電源能源標(biāo)準(zhǔn)要求的更高效率，MOSFET 正在取代過(guò)去由二極管維護(hù)的插座，以用作同步整流器開(kāi)關(guān)（見(jiàn)圖 2）。對(duì)于同步整流器 FET，由 MOSFET 體二極管 Q RR的反向恢復(fù)電荷決定的反向恢復(fù)損耗通常是除傳導(dǎo)損耗之外的功率損耗的最大貢獻(xiàn)者。對(duì)于此類應(yīng)用，更相關(guān)的 FOM 是 R DS(ON) * (1/2 Q OSS + Q RR )。圖 3 顯示了典型同步整流應(yīng)用中使用的 80V MOSFET 的功率損耗擊穿。

圖 2：在許多應(yīng)用中，低電阻 MOSFET 代替整流二極管以提高效率

圖 3：同步整流器的功率損耗擊穿

在各自 FOM 相對(duì)相等的給定 FET 技術(shù)中，電阻越低，柵極電荷越高。因此，最有效的解決方案是優(yōu)化傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗各自的貢獻(xiàn)。

考慮最近的一個(gè)示例，其中 TI 客戶想要推薦同步整流器 FET（針對(duì)給定的一組輸入條件和特定輸出電流）。圖 4 顯示了可用的五種不同電阻 FET 選項(xiàng)的相應(yīng)傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗。請(qǐng)注意，在這些條件下，第四個(gè)和第五個(gè)選項(xiàng)產(chǎn)生的總功率損耗非常相似，兩者之間的曲線或多或少是平坦的。但是，第五個(gè)選項(xiàng)的阻力是第四個(gè)選項(xiàng)的 2 倍。在 FET 技術(shù)中，電阻與裸片尺寸成反比，因此我們可以（正確地）假設(shè)第五個(gè)選項(xiàng)是更具成本效益的解決方案。

圖 4：五種不同 MOSFET 選項(xiàng)的功率損耗 - 請(qǐng)注意，第四種和第五種選項(xiàng)的總損耗非常相似，盡管傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗不同

最后幾點(diǎn)需要考慮：

· SMPS 應(yīng)用需要并聯(lián)多個(gè) FET 的解決方案并不少見(jiàn)，特別是對(duì)于同步整流器。請(qǐng)記住，F(xiàn)ET 選項(xiàng)之間的電阻差異將與我們并聯(lián)的 FET 數(shù)量成正比。但與此同時(shí)，電荷差異將乘以相同的系數(shù)，因此在一定數(shù)量的 FET 中，開(kāi)關(guān)損耗將降低整體系統(tǒng)效率。

· 方案選擇也很重要。雖然像晶體管輪廓 TO-220 和 D2PAK 這樣的舊封裝可以在內(nèi)部安裝大量硅芯片并耗散大量功率（尤其是安裝在大型散熱器上的通孔器件），但它們的封裝電阻也明顯高于四方扁平無(wú)引線封裝（ QFN) 設(shè)備。此外，在高頻下，諸如 MOSFET 的源極片電感等寄生元件開(kāi)始發(fā)揮更大的作用，并對(duì)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴和整體系統(tǒng)效率產(chǎn)生破壞性影響。因此，QFN 封裝（如 TI 的 SON5x6 或 SON3x3）可以實(shí)現(xiàn)比 TO 同類產(chǎn)品更高的功率密度，并且?guī)缀蹩偸歉m合驅(qū)動(dòng)數(shù)百到千赫茲范圍內(nèi)的更高頻率。

· 我們可以直接從 MOSFET 的數(shù)據(jù)表中辨別一些關(guān)鍵的 SMPS 參數(shù)，例如 R DS(on)和 Q G。數(shù)據(jù)表上的其他參數(shù)，如 Q RR和 Q OSS，則更加不可靠。因此，最好進(jìn)行板載、逐個(gè)測(cè)量，以便在不同 FET 供應(yīng)商之間進(jìn)行公平比較。