同步升压转换器设计中MOSFET的选择策略

电压。如果观测到的LS MOSFET的门极电压(绿色踪迹)达到一个大于Vgth的电压，那么，我们就可以观测到击穿和ζ的损耗。理想情况下，你需要峰值为几百毫伏。下面的踪迹是击穿的典型指纹，让我们能够通过测量门极到源极之间的电压来识别问题。

图5：识别击穿。

门极电感的影响：

门极驱动电路的电路版图设计对于设置合适的MOSFET开关频率是极为重要的。图6是Z轴上的门极电压的、Y轴上的门极电感和X轴上的时间的三维表示。该图显示了门极引脚电容对波形的动态影响。门极电压振铃可能造成不稳定的开关，从而导致效率ζ的损失并加大电磁辐射。 门极引脚必须保持尽可能地短以避免该影响。

图6：门极驱动振铃。

最优化门极驱动电压：

门极驱动电压幅度以下列方式控制MOSFET的开关性能：

* 门极驱动电压越高，意味着电容充电和放电损耗就越高，由下式给出：

Pcloss=CXV2Xfs

* 驱动电压越高，以为着Rdson越低，因此，电源损耗就越低，从而提高ζ；

* 门极电压幅度也会影响MOSFET的上升和下降时间。

满足所有上述条件并产生最高ζ的最优化门极驱动幅度，可以在实验中利用不同的电压幅度确定的最佳性能点来确定。根据对问题的数学求解，图7给出了一个在Z轴上的最优化门极驱动电压的三维图形，它是X上漏电流和Y轴上开关频率的函数。显然，门极驱动电压永远不能超过数据表针对高可靠性工作所推荐的电平。

图7：最优化门极驱动电压。

最优化电源输入电压：

用于电脑市场的DC-DC转换器的电源输入电压的行业标准是12V，但是，这是最优化的数值吗？为了帮助回答这个问题，让我们考察输入电压对ζ的影响：

* 较高的电源输入电压显然被转换为来自电源的较低电流及AC-DC转换器的高ζ值(银盒)。

* 电源输入电压越高，意味着在HS MOSFET中的动态损耗也越高。

* 电源输入电压越高，意味着在LS MOSFET中因占空周期的增加所造成的传导损耗就越高。

最优化输入电压可能由实验或数学导出。图8所示为最优化输入电压在Z轴上的三维表示，它是Y轴上的负载电流和X轴上的开关频率的函数。电源输入电压电平由针对电脑市场的行业标准确定。如果你正在设计一个两级隔离DC-DC转换器，在为你的特定的应用确定最优化中间电压的过程中，就值得做这种考虑。

图8：最优化的电源输入电压。

器件封装

当选择针对你的应用的器件时，你要控制的其他参数就是封装。功率MOSFET可用的最流行封装分别是SO8、DPAK、D2PAK及其它形式的封装。封装参数中最重要的是：

* 封装热阻：这明显限制了功耗并控制了封装中的散热设计方案；

* 要尽可能选择最小的热阻；

* 封装寄生电感：由MOSFET提取的封装寄生电感对开关速度有极大的影响，并最终影响动态损耗。寄生电感越小，开关时间就越短；

*封装寄生电阻：该参数通常隐藏在Rdson数值之中；

对给定应用的最佳封装应该具有最低的寄生参数和热阻，与此同时，满足特定的要求。

最优化工作条件

利用Maple计算软件，为学习和掌握电源电路中诸如MOSFET这样的物理现象提供了非常激动人心和有效的工具。根据上述讨论，我们可以说，开关频率、门极驱动、电源输入电压以及电路的布局布线等基本选择极大地影响MOSFET开关器件的损耗以及整体转换效率。这些选择必须做到以最小化这些损耗。

参考文献：

[1] A. Elbanhawy, "Effect of Parasitic Inductance on switching performance" in Proc. PCIM Europe 2003, pp.251-255

[2] A. Elbanhawy, "Effect of Parasitic inductance on switching performance of Synchronous Buck Converter" in Proc. Intel Technology Symposium 2003

[3] A. Elbanhawy, " Mathematical Treatment for HS MOSFET Turn Off" in Proc. PEDS 2003

[4] A. Elbanhawy, "A quantum Leap in Semiconductor packaging" in Proc. PCIM China, pp. 60-64

关于作者：

Alan Elbanhawy是飞兆半导体国际公司先进电源系统中心计算机和电信总监。他拥有电气工程的学士学位，并在电源设计和研发管理中拥有38年的工程经验，可以通过Alan.Elbanhawy@fairchildsemi.com与他联系。