搭配电感拓扑，利用小讯号MOSFET降低电源转换功耗

由于电源範围最高可达数百瓦，最低仅数瓦，在桌上型电脑中，DC-DC转换器须提供高达100安培的电流和130瓦功率，开关级MOSFET採用无损封装（LFPAK）或QFN 5×6封装的趋势也逐渐盛行，一般笔电和小笔电的功率需求相对较小，功耗範围为18~55瓦。开关MOSFET主要採用SO-8和QFN 3×3封装。电视、机上盒或平板电脑等消费性电子的应用，功耗要求为7~15瓦。

　　对于中等功率範围而言，目前可用QFN 3×3、QFN 2×2或SOT457等具有更小封装的小讯号MOSFET来替代SO-8。为达到所需的电流涟波，须仔细选择用于降压转换器的电感值。电流涟波更大，则输出电压涟波也更大；涟波增加，则电感更小、输入电压更高，若开关频率降低，则将进一步增大。

　　ΔIL可由下列公式13算出：

　　ΔIL=VIN/L×ton=VOUT/L×toff.。。（13）

　　其中，T=ton+toff=1/f

　　得到公式14：

　　ΔIL=（VOUT/L）×（1–VOUT/VIN）×1/f.。。（14）

　　此时表示L=（VOUT/ΔIL）×（1–VOUT/VIN）×1/f。在极端情况下，电路会以连续模式的极限运行，电流在再次增大之前会完全降为零，可得出公式15： ΔIL=2×I（均值）。。。。。。（15）

　　代换ΔIL后，L=VOUT×（1–VOUT/VIN）/2×I（均值）×f

　　实际上，涟波电流ΔIL一般约为最大电流的30%，输出电压的涟波不仅取决于电感和ΔIL，还与输出电容的电容值有关，电容愈大，涟波愈小。图8为流入电容的电流波形图，无损耗电容的计算方式如公式16：

　　图8 电容电流与时间的关係示意图

　　。。。。。。（16）

　　对于t0至t1，IC=ΔIL/ton×t；对于t1至t2，IC=ΔIL/toff×t。

　　电容涟波电压如公式17所示：

　　。。。。。。（17）

　　当T=ton+toff=1/f时，可进一步得出公式18：

　　VC_ripple=ΔIL/（C×8×f）。。。。。。（18）

　　此外，实际电容须考虑等效串联电阻（ESR），因此可得出公式19：

　　VC_ripple=ΔIL×（ESR+1（8×F×Cout））？（19）

　　做为开关的MOSFET则须考虑两个损耗过程，一个是欧姆损耗，由剩余导通电阻RDSon造成；第二个损耗产生于开关瞬变。由于MOSFET并非理想的电源开关，从关闭到开启状态（或开启到关闭）仍存有短暂的导通时间。

　　RDSon损耗也称I2R损耗，可通过公式20计算（lout表示RMS值）：

　　。。。。。。（20）

　　其工作週期为D=ton/T，项数1+δ包含与MOSFET的RDSon有关的温度。δ典型值为δ=（0.005/℃）×（Tj–25℃）

　　低端开关则与其相似，由于当高端开关关闭时，同步MOSFET接通，因此I2R损耗可由公式21计算：

　　。。。。。。（21）

　　汲极电流/电压影响MOSFET开关性能

　　至于转变损耗，仅高端开关受此机制影响，塬因在于所採用的续流二极体（图8中的D1）已接通，它将同步MOSFET上的电压降至较小的正向电压VF，若电路不含续流二极体，则情形有所不同。MOSFET的RDSon损耗须计入本体二极体的损耗，若不使用续流萧特基二极体，则效率通常受较高的VF和本体二极体反向恢復时间的影响。

　　图9表示MOSFET开关性能的测试电路，包含闸极至源极CGS、汲极至闸极CDG的寄生电容。电流源IG为控制闸极，在源极另一个电流源与一个续流二极体并联，随后连接VSS，只要MOSFET为关闭状态，电流便流经该二极体。导通过程中，若电流源IG打开，CGS的电压线性上升，直至达到闸极-源极阈值电压VGS（th）。此时开始有汲极电流通过，表示MOSFET在t0阶段依然处于关闭状态。

　　图9 MOSFET开关性能测试塬理图

　　汲极电流在t1阶段上升。同时闸极电压上升，直至达到VGS（pl）。VGS（pl）通常称为MOSFET的臺阶电压。它在资料手册中一般不会明确提及，但可由塬理图中的闸极电荷与闸极-源极电压衍生出来，在详细资料手册中可找到。t0和t1阶段过后，电荷为Q0=Vpl×（CGS+CDS）。

　　在下一个t2阶段，汲极电压下降，闸极-源极电压VGS保持恆定，为VGS（pl）。电荷Q1以相反方向对CDS充电，Q1=VSS ×CDS。CDS有别于双极电晶体，它与米勒电容类似，且对MOSFET的开关性能有巨大影响。在t3阶段闸极电压再次增大，直到达到所需的最大闸极电压，此时电流源被截流。FET的RDSon进一步降低。闸极驱动器提供额外的电荷Q2如公式22所示：

　　Q2=（VGS（t4）–VGS（pl））×（CGS+CDS）。。。（22）

总电荷则为QG=Q0+Q1+Q2，对功率MOSFET而