電源系統(tǒng)開(kāi)關(guān)控制器的 MOSFET 選擇

DC/DC開(kāi)關(guān)控制器的MOSFET選擇是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)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(huì)變得更加復(fù)雜。

DC/DC開(kāi)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(shí)擁有一個(gè)高側(cè)FET和低側(cè)FET的降壓同步開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，如圖1所示。這兩個(gè)FET會(huì)根據(jù)控制器設(shè)置的占空比進(jìn)行開(kāi)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：
占空比(高側(cè)FET)=VOUT/(VIN*效率)                             (1)

占空比(低側(cè)FET)=1－DC(高側(cè)FET)                           (2)

圖1  降壓同步開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器原理圖

FET可能會(huì)集成到與控制器一樣的同一塊芯片中，從而實(shí)現(xiàn)一種最為簡(jiǎn)單的解決方案。但是，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，這樣便可以實(shí)現(xiàn)最大散熱能力。因?yàn)樗孎ET物理隔離于控制器，并且擁有最大的FET選擇靈活性。缺點(diǎn)是FET選擇過(guò)程更加復(fù)雜，原因是要考慮的因素有很多。

一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是“為什么不讓這種10A FET也用于我的10A設(shè)計(jì)呢？”答案是這種10A額定電流并非適用于所有設(shè)計(jì)。選擇 FET 時(shí)需要考慮的因素包括額定電壓、環(huán)境溫度、開(kāi)關(guān)頻率、控制器驅(qū)動(dòng)能力和散熱組件面積。關(guān)鍵問(wèn)題是，如果功耗過(guò)高且散熱不足，則FET可能會(huì)過(guò)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(gè)FET的結(jié)溫，具體方法如下：

Tj=ThetaJA×FET功耗（PdissFET）+環(huán)境溫度（Tambient）              (3)

它要求計(jì)算FET的功耗。這種功耗可以分成兩個(gè)主要部分：AC和DC損耗。這些損耗可以通過(guò)下列方程式計(jì)算得到：

AC損耗:AC功耗（PswAC）=1/2×Vds×Ids×(trise+tfall)/Tsw     (4)

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(shí)間和降時(shí)間，而Tsw為控制器的開(kāi)關(guān)時(shí)間（1/開(kāi)關(guān)頻率）。

DC損耗:PswDC=RDSON ×IOUT×IOUT×占空比             (5)

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(mén)損耗，以及低側(cè)FET空載時(shí)間期間導(dǎo)電帶來(lái)的體二極管損耗，但在本文中將主要討論AC和DC損耗。
 

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