中心議題:
- 對(duì)功率MOSFET的要求
- MOSFET的損耗計(jì)算
- MOSFET主要參數(shù)的選取
- MOSFET選擇應(yīng)用實(shí)例
解決方案:
- 美信公司的MAX8720單相降壓式DC/DC控制器的MOSFET損耗計(jì)算
- 飛兆公司的多相降壓式DC/DC控制器FAN5019B的MOSFET損耗計(jì)算
- 選擇Vishay公司的Si7390DP作NH
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)??刂破魃a(chǎn)商會(huì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dǎo)損耗需要選用RDS(on)小的功率MOSFET。新型MOSFET的RDS(on)在VGS=10V時(shí)約 10mΩ左右,有一些新產(chǎn)品在VGS=10V時(shí)可做到RDS(on)約2~3mΩ。
柵極驅(qū)動(dòng)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VGS下,對(duì)MOSFET的極間電容(如圖2所示)進(jìn)行充電(建立VGS電壓,使MOSFET導(dǎo)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(dòng)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。
圖2 MOSFET的極間電容
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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(jì)。
圖3 同步整流管導(dǎo)通時(shí),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(dòng)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VDSS>Vin(max) ;MOSFET的漏極電流要大于或等于最大輸出電流,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的損耗最小,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(jià)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(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(hào)資料提供的損耗公式計(jì)算,否則會(huì)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(gè)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(jì)算其損耗。若計(jì)算出來的損耗小于一定條件下的PD,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PD,則重新再選擇或采用兩個(gè)功率MOSFET并聯(lián),使1/2(計(jì)算出來的損耗) 計(jì)算前要已知:輸入電壓VIN(或 Vin(max)及VIN(min))、輸出電壓VOUT、最大輸出電流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(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
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
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(duì)ID及PD的表達(dá)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ID及PD值。ID可在下面的范圍內(nèi)選取:(TA=70~85℃時(shí)的ID)
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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(shí)的典型 RDS(on)值及最大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(dòng)器或控制器的VCC決定),取RDS(on)最大值為計(jì)算值。
Ciss及Crss的選取
在計(jì)算開關(guān)管損耗時(shí)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(hào),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(shí)的Ciss或Crss值作為計(jì)算值,如圖5所示。
圖4 MOSFET焊盤(敷銅板)尺寸
圖5 Ciss和Crss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?,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)。
圖6 由MAX8720組成的降壓式DC/DC電路
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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。
表3
注:*由特性曲線中求得;**印制板焊盤面積最小的值。
開關(guān)管傳導(dǎo)損耗PD(NHR)計(jì)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(dòng)損耗PD(NHS)計(jì)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(dǎo)損耗PD(NLR)計(jì)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(jì)算,滿足計(jì)算的損耗值
FAN5019B電路中的MOSFET選擇
由控制器FAN5019B及3個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(gè)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RDS(on)=11.9mΩ)。其主要參數(shù)如表4所示。
表4
注:*PD與PCB的敷銅板面積有關(guān),此為面積最小值。
開關(guān)管傳導(dǎo)損耗PC(MF)計(jì)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(jì)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(dòng)損耗PS(MF)計(jì)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(dòng)器內(nèi)阻)。高速開關(guān)管的RG典型值為1Ω,驅(qū)動(dòng)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PD值,因此只要PCB有較大的焊盤,則這0.02W可略而不計(jì)。同步整流管傳導(dǎo)損耗PSF計(jì)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(jì)算,選用3個(gè)FDD6696做開關(guān)管及6個(gè)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。