MOSFET门极驱动电压的优化

　　在同步降压电源应用中,降低MOSFET导通电阻对同步整流器而言十分关键,因为多数情况下,快速恢复式整流电流通过MOSFET通道电阻所造成的功率损耗是总功耗中最大的一部分。然而,其他一些因素也不容忽视。

　　---较高的门极驱动电压电平可将更多电荷充入MOSFET的栅极-源极(gate-to-source)连接点,从而在MOSFET驱动器级造成了更大的损耗。此外,较高的门极充电需求还会造成更长的升降时间,这将在同步降压转换器的高侧MOSFET内影响开关损耗。为了提高效率,施压应用于驱动MOSFET门极,以使增加的门极电荷与开关损耗小于其通过降低Rds(ON)所节省的功率。例如,如果高侧MOSFET增加0.5W的功耗,而同步MOSFET中节省了1W,则该方案可以接受。

　　门极电压的考虑事项

　　---采用两种相对的电压驱动控制MOSFET Q1与同步MOSFET Q2(如图1所示)的门极需要经过仔细的考虑。额外离散部件的需求、对PCB路由的影响以及最佳驱动电压振幅(可能已获得、也可能暂未获得)的需求,这些权衡因素都对降低MOSFET Rds(ON)以获得潜在效率不利。

　　---作为例子,我们使用仲裁器件(arbitrary device)对控制MOSFET与同步整流器MOSFET进行如下分析。为了能够突出门极-源极电压(VGS)相对另一门极-源极电压的优势,必须仔细考察每个MOSFET的Rds(ON)对门极驱动电压以及门极驱动电压对门极电荷的曲线图。

　　---图2～图5所示是从大多数制造商的数据表中获得的典型MOSFET性能特性曲线图,其将作为下述应用实例的依据。

　　---图2突出显示了控制MOSFET Q1当VGS=5V以及VGS=9V时Rds(ON)的值。由于Q1更倾向于开关损耗,因此在选择时通常首先考虑较低的门极电荷,其次考虑Rds(ON)。当VGS=5V时,Rds(ON)=8.7mΩ;VGS=9V时,Rds(ON)=6.4mΩ。与此类似,图表示了当VGS从5V增加至9V时对门极电荷的影响。当VGS=5V时,Qg=13nC;VGS=9V时,Qg=24.8nC。表1是对上述结果的总结。

　　---图4突出显示了整流器MOSFET Q2当VGS=5V以及VGS=9V时的Rds(ON)的值。由于Q2更倾向于导电损耗,因此在选择时首先考虑尽可能最低的Rds(ON),其次考虑门极电荷。当VGS=5V时,Rds(ON)=3.37mΩ;当VGS=9V时,Rds(ON)= 2.75mΩ。与此类似,图5显示了VGS从5V增加到9V时对门极电荷的影响。当VGS=5V时,Qg=37.5nC;当VGS=9V时,Qg=76nC。各VGS所对应的MOSFET参数如表1所示。

　　---受最大负载电流的影响,由较高VGS产生的低Rds(ON)将导致更低的导电损耗,直至某一特定截至频率上开关损耗开始占优势。在开关损耗占优势的较高频率范围内,应首选由较低VGS引起的低门极电荷。而在导电损失占优势的较低频率范围内,则应选择由较高VGS引起的低Rds(ON)。就提高效率而言,最好的选择可能是采用较低VGS驱动控制MOSFET以最大程度地减少开关损耗,以及采用较高VGS驱动同步整流器以降低导电损耗。然而,由于大多数同步降压MOSFET驱动器不提供以不同电压分别独立驱动控制门极与同步门极的选项,因此该解决方案不具有实际意义。

　　---下面的应用实例将对两种VGS条件下的效率进行比较。为了简化起见,对每种情况我们都采用相同振幅的VGS用于控制MOSFET及同步MOSFET。

应用实例

　　--- 首先给定以下条件：

　　VIN=5V

　　VOUT=1.8V

　　IOUT=20A

　　D=0.36

　　Fsw=200kHz

　　Rg=0Ω

　　LLUMP=50nH

　　---MOSFET驱动器特性：

　　---图6显示了具有代表性的模型,其说明了对开关电源性能能够产生影响作用的大多数寄生元件。为了简化,只给出了低侧同步整流器MOSFET和驱动器级。与驱动器汲极和源极阻抗相关联的电阻通常都具有不同值,但制造商的数据表中都应做了指定。需要指出的是,驱动器和MOSFET间寄生电感的作用同样是十分重要的。在进行较高频率操作时,该电感将限制门电流对MOSFET输入电容充电的尝试。公式2表明这将导致更长的上升与下降时间以及额外的开关损耗。在本例中,我们假定总寄生电感LLUMP为50nH。如图6所示,LLUMP由与MOSFET和驱动器封装类型相关的内部引线电感组成。由于设计人员无法真正控制这些参数,因此唯一可以控制的寄生电感组件是线迹电感Ltrace。为此,最大程度地缩短驱动器与MOSFET之间的线迹长度以及直接在接地平面上运行短且宽的线迹,都可降低寄生线迹电感。

　　---控制MOSFET功率损耗计算：

　　Pc=Iout2×Rds(ON)×D 公式1

　　式中tr≈tf,可用下式近似估算：

　　高侧驱动器功率损耗：

　　---由于驱动器的汲极与源极电阻远大于MOSFET的内部门极电阻,因此大部分与MOSFET门极充电、放电相关的开关损耗来自驱动器IC。公式5

　　---采用公式1～公式5,可以估算出各种VGS条件下控制MOSFET与驱动器的总损耗。

　　---同步整流器MOSFET功率损耗计算：

　　---为了简化计算过程,我们假定以下基体二极管特性：

tBDR+tBD