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BUCK电路中功率开关管(MOSFET)的选型方法

01

功率MOSFET的选型

本节要讨论的问题是,非同步或同步降压型开关控制器电源电路中,高边和低边MOSFET(或低边续流二极管)该如何选型?

参考“2.2 什么是非同步(异步)整流和同步整流?”章节内容可知,非同步或同步降压电路中使用的功率开关元件,除了少数器件使用三极管和P-MOSFET外,多数都使用N-MOSFET。功率MOSFET重要的五个参数是,击穿电压VBR(DSS)(漏极-源极之间的耐压)、最大漏极-源极电流IDS(MAX)或连续漏极电流ID、导通电阻RDS(ON)、阈值电压VGS(TH)和反向传输电容CRSS。

当功率MOSFET应用在降压电路时,其参数需要满足以下条件:

(1) 击穿电压值VBR(DSS):

必须大于最大输入电压VIN(MAX),而且留出一定的裕量来应对因寄生电感等导致的输入电压尖峰,通常可取功率MOSFET耐压值为最大输入电压VIN(MAX)的1.3 – 1.5倍。

(2) 连续漏极电流ID:

(在CCM模式下)高边开关管MOSFET的过流能力IDS(MAX)至少需要大于等于其上平均电流D*Iout(公式(3.232))或有效电流 √(D×(I_OUT^2+(∆I_L^2)/12) ) (公式(3.236));

低边开关管MOSFET的过流能力至少需要大于等于其上平均电流(1-D)*Iout(公式(3.239))或 √((1-D)×(I_OUT^2+(∆I_L^2)/12) ) (公式(3.240))。

更加严格的高边和低边开关管MOSFET过流能力选择,可以选择大于等于电感上的峰值电流(Iout+(1/2)*ΔIL)。

(3) 导通电阻RDS(ON):

参考“3.9.4.1 导通损耗”章节内容可知,降压电路在CCM模式下高边和低边开关管MOSFET的导通损耗计算公式分别为 

P_(SW-H,COND,AVG,TSW) = I_OUT^2 × R_(DS(ON)-H) × D 

P_(SW-L,COND,AVG,TSW) = I_OU^2 × R_(DS(ON)-L) × (1-D)

可见,为了实现更高的转换效率,高边和低边开关管MOSFET导通电阻RDS(ON)参数越小越好。

所以,为了实现目标转换效率(通常,目标转换效率是“设计需求”中需要明确的参数之一),在要求总损耗功率为定值,进而分配的导通损耗为定值的情况下,高边和低边开关管MOSFET导通电阻RDS(ON)可取的最大值分别如下:

这就是在BUCK电路设计中进行功率MOSFET选型时其导通电阻RDS(ON)这个参数的选择依据。

这里还有需要进一步明确的问题是,在明确了目标转换效率或总损耗功率的情况下,分配给高边和低边MOSFET导通损耗的占比为多少呢?

参考“3.4.8 非同步与同步降压电路的功率损耗计算案例”章节,非同步降压电路中高边MOSFET导通损耗占比为16.21%,同步降压电路中高边和低边MOSFET导通损耗占比为40.71%。

由此可见:在非同步降压电路中,我们可以将大约20%的总损耗分配给高边MOSFET导通损耗;在同步降压电路中,我们可以将大约40%*D的总损耗分配给高边MOSFET导通损耗,将40%*(1-D)的总损耗分配给低边MOSFET导通损耗(因为高边MOSFET、低边MOSFET具体的导通损耗值大小是与降压电路实际工作的占空比D有关的)。

当然,我们需要知道的是,这里提出的MOSFET导通损耗占比分配方法(即非同步降压电路中高边MOSFET导通损耗占总损耗的20%,同步降压电路中高边和低边MOSFET导通损耗占总损耗的40%),是基于已知的计算案例占比16.21%和40.71%倒推的,原因是在电路设计完毕之前,我们无法知道MOSFET导通损耗占总损耗的比例,那就无法知道具体的MOSFET导通损耗是多少,也就无法知道可取的MOSFET导通电阻RDS(ON)最大值是多少。

参考“3.3.3.2 纹波电流实际值”章节,我们通过基于“电感伏秒平衡”推导出了纹波电流公式(3.191)( ∆I_L = (V_OUT / V_IN) × (V_IN - V_OUT) / (L_BUCK × F_SW) ),而我们的功率电感取值公式(3.291)( L_BUCK = (V_OUT/V_IN) × (V_IN - V_OUT) / (∆I_L × F_SW) )本质上也是基于“电感伏秒平衡”推导出来的,所以这里容易知道,在输入电压 V_IN 、输出电压 V_OUT 和开关频率 F_SW 不变的情况下,纹波电流 ∆I_L 与电感值 L_BUCK 的乘积为 ∆I_L×L_BUCK = (V_OUT/V_IN) × (V_IN - V_OUT) / F_SW  ,就是常数,如果不能先明确纹波电流的大小,就无法得到所需的电感值是多少。所以,我们需要先确定一个纹波电流系数r,从而得到纹波电流理论值 r×I_OUT ,从而得到可取的电感值,这里的纹波电流系数r就是解决问题的切入点。

所以,类似地,我们需要“预分配一定比例”的总损耗给MOSFET导通损耗,然后得到可取的MOSFET导通电阻RDS(ON)最大值,然后选择合适的MOSFET。这个“预分配一定比例”值,就是解决问题的切入点,与选择纹波电流系数r的意义相似。

另外,在电路设计完毕之后测试转换效率,如果转换效率超过目标值(也就意味着总损耗超过目标值),那就需要对总损耗再次分解,再次通过降低各寄生参数的方法选择元器件,只要迭代次数足够,我们设计出的电路总能收敛于“目标转换效率”。

02

总结

功率MOSFET应用在降压电路时,可以通过本文提出的对应方法来确定击穿电压值VBR(DSS)或漏源电压VDS、连续漏极电流ID和导通电阻RDS(ON)这三个参数。

至于栅极总电荷量Qg(Total Gate Charge)、上升时间tr、下降时间tf、输入电容Ciss、输出电容Coss、反向传输电容Crss等参数,初学者暂时可以不关心。

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