降压式DC-DC转换器的MOSFET选择Word版.doc

降压式DC/DC转换器的MOSFET选择 同步整流降压式DC/DC转换器都采用控制器和外接功率MOSFET的结构控制器生产商会在数据资料中给出参数齐全的应用电路，但用户的使用条件经常与典型应用电路不同，要根据实际情况改变功率MOSFET的参数对功率MOSFET的要求同步整流降压式DC/DC转换器的输入及输出部分电路如图1所示，它是由带驱动MOSFET的控制器及外接开关管(Q1)及同步整流管(Q2)等组成目前，Q1和Q2都采用N沟道功率MOSFET，因为它们能满足DC/DC转换器在输入电压、开关频率、输出电流及减少损耗上的要求图1 同步整流降压式DC/DC转换器的输入及输出部分电路简图开关管与同步整流管的工作条件不同，其损耗也不一样开关管有传导损耗(或称导通损耗)和栅极驱动损耗(或称开关损耗)，而同步整流管只有传导损耗传导损耗是由MOSFET的导通电阻RDS(on)造成的，其损耗与i2D、RDS(on)及占空比大小有关，要减少传导损耗需要选用RDS(on)小的功率MOSFET新型MOSFET的RDS(on)在VGS=10V时约 10mΩ左右，有一些新产品在VGS=10V时可做到RDS(on)约2～3mΩ。

栅极驱动损耗是在开关管导通及关断瞬间，在一定的栅源电压VGS下，对MOSFET的极间电容(如图2所示)进行充电(建立VGS电压，使MOSFET导通)和放电(让VGS=0，使MOSFET关断)造成的损耗此损耗与MOSFET的输入电容Ciss或反馈电容Crss、栅极驱动电压VGS及开关频率fsw成比例要减小此损耗，就要选择Ciss或Crss小、阈值电压VGS(th)低的功率MOSFET推荐精选图2 MOSFET的极间电容同步整流管也是工作在开关状态(其开关频率与开关管相同)，但因同步整流管工作于零电压(VGS≈0V)状态(如图3所示)，其开关损耗可忽略不计图3 同步整流管导通时，VDS≈0V为满足DC/DC转换器的工作安全、可靠及高效率，所选的功率MOSFET要在一定的栅极驱动电压下满足以下的条件：MOSFET的耐压要大于最大的输入电压，即VDSS>Vin(max) ；MOSFET的漏极电流要大于或等于最大输出电流，即ID≥IOUT(max)；选择Ciss或Crss尽量小的开关管，选择RDS(on)尽量小的同步整流管，使MOSFET的损耗最小，并满足其损耗值小于PD(PD为一定条件下的MOSFET允许耗散功率)。

另外，还要选择价格适中、封装尺寸小的(如SO-8、DPAK或D2PAK封装)贴片式MOSFETMOSFET的VDSS、ID及RDS(on)等参数可直接从MOSFET的样本或数据资料中找到，而其损耗则要在一定条件下经计算才能确定MOSFET的损耗计算DC/DC控制器生产厂家在数据资料中给出开关管及同步整流管的损耗计算公式，其中开关损耗的计算往往是经验公式，因此各DC/DC控制器生产厂家的公式是不相同的，要按该型号资料提供的损耗公式计算，否则会有较大的计算误差推荐精选损耗计算的方法是，根据已知的使用条件先初选一个功率MOSFET，要满足VDSS>Vin(max)、ID≥IOUT(max)、Ciss或Crss小、RDS(on)小的要求，然后按公式计算其损耗若计算出来的损耗小于一定条件下的PD，则计算有效，可选用初选的功率MOSFET；若计算出来的损耗大于PD，则重新再选择或采用两个功率MOSFET并联，使1/2(计算出来的损耗)

本文介绍美信公司的MAX8720单相降压式DC/DC控制器及飞兆公司的多相降压式DC/DC控制器FAN5019B组成的电路中的MOSFET损耗计算损耗计算公式是非常简单的，关键是如何从MOSFET样本或数据资料中正确地选取有关参数MOSFET主要参数的选取ID及PD值的选取MOSFET的资料中，漏极电流ID及允许耗散功率PD值在不同条件下是不同的，其数值相差很大例如，N沟道功率MOSFET IRF6617的极限参数如表1所示表1 连续工作状态下的极限值最大漏极电流IDM=120A(以最大结温为限的脉冲状态工作)不同的MOSFET生产厂家对ID及PD的表达方式不同例如，安森美公司的NTMFS4108N的ID及PD参数如表2所示表2最大极限值(Tj=25℃，否则另外说明)注：*安装条件1为MOSFET安装在敷铜钣面积为6.5cm2的焊盘上(见图4) **安装条件2为MOSFET安装在敷铜钣面积为2.7cm2的焊盘上(见图4)推荐精选最大漏电流IDM=106A(脉冲状态，Tp=10μs)在DC/DC转换器中，MOSFET工作在占空比变化的脉冲状态，但也不是工作于窄脉冲状态；工作温度范围是-40～85℃。

表1、表2中无这种工作条件下的ID及PD值ID可在下面的范围内选取：(TA=70～85℃时的ID)

图4 MOSFET焊盘(敷铜板)尺寸推荐精选图5 Ciss和Crss与VDS的特性曲线应用实例MAX8720电路中的MOSFET选择由MAX8720组成的降压式DC/DC转换器电路如图6所示现使用条件为VIN=7～24V、VOUT=1.25V、IOUT(max)=15A、fsw=300kHz，控制器的工作电压(偏置电压)VCC=5V，选合适的开关管(NH)及同步整流管(NL)图6 由MAX8720组成的降压式DC/DC电路推荐精选初选Vishay公司的Si7390DP作NH(其Qg仅10nC)；Si7356DP作NL (RDS(on)=4mΩ)其封装都是8引脚、有散热垫的SO-8封装，主要参数如表3所示表3注：*由特性曲线中求得；**印制板焊盘面积最小的值 开关管传导损耗PD(NHR)计算PD(NHR)=(VOUT/VIN(min))(IOUT(max))2×RDS(on)=(1.25V/7V)×15A2×13.5mΩ=0.54W开关管的栅极驱动损耗PD(NHS)计算PD(NHS)=[(Vin(max))2×Crss×fsw×IOUT]/IGATE=[24V2×130pF×300kHz×15A]/2A=0.168W式中栅极电流IGATE的数据是MAX8720数据资料中给出的。

开关管的总损耗PD(NH)为PD(NH)=PD(NHR)+PD(NHS)=0.54W+0.168W=0.708W<1.1W同步整流管的传导损耗PD(NLR)计算PD(NLR)=[1-(VOUT/Vin(max))]×(IOUT(max))2×RDS(on)=[1-(1.25V/24V)]×15A2×4mΩ=0.85W<1.9W根据上述计算，满足计算的损耗值

开关管传导损耗PC(MF)计算PC(MF)=D[(IO/nMF)2+1/12(n×IR/nMF)2]×RDS(on)式中D为占空比(D=VIN/VOUT) ；IR为纹电流(IR=1/n×IO×40%）；nMF为总的开关管数；n为相数；IO=IOUT(max)IR计算得IR=8.66A，代入公式：PC(MF)=15V/12V[(65A/3)2+1/12(3×8.66A/2)2]×15mΩ=0.89W开关管的栅极驱动损耗PS(MF)计算PS(MF)=2fsw×VCC×(IO/nMF)×RG×(nMF/n)×Ciss=2×228kHz×12V(65A/3)×3Ω×(3/3)×2058pF=0.73W推荐精选式中RG是栅极电阻(这包括MOSFET的栅极电阻及驱动器内阻)高速开关管的RG典型值为1Ω，驱动器FAN5009的内阻约2Ω，故RG取3Ω开关管的总损耗=0.89W+0.73W =1.62W，略大于FDD6696的允许耗散功率由于允许耗散功率是敷铜板最小面积下的PD值，因此只要PCB有较大的焊盘，则这0.02W可略而不计同步整流管传导损耗PSF计算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为同步整流管的总数。

通过上述计算，选用3个FDD6696做开关管及6个FDD6682做同步整流管组成的电路可满足VIN=VCC=12V、VOUT=1.5V、IOUT(max)=65A、fsw=228kHz的使用要求结束语由于上述损耗计算是较粗略的，所以在MOSFET选定后，还要通过实验来证实选择是否合适在实用上，为安全起见，MOSFET的焊盘面积可取得大一些(如6.5cm2)参考文献MAXIM公司的MAX8720数据资料 2 FAIRCHILD公司的FAN5019B及FAN5009数据资料 3 Vishay公司、Fairchild公司、On Semiconductor公司、IR公司的MOSFET资料本文来自：我爱研发网(52RD.com) - R&D。