高精度MOSFET设计技巧

时间：11-30 来源：EETCHINA 点击：

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类似地，做优化裸片面积可由下式表示：

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　　我们以顶部MOSFET为例，下图2所示为在不同输入电压时最优化裸片面积和负载电流之间的关系。仔细地考察发现，当输入电压从19V变到5V时，裸片面积增加。

　　这是因为在5V电压时占空比会增加，而我们需要较小的RDSON，因此，获得较大的裸片面积以减小传导损耗。因为开关电压越小，开关损耗也成比例地越小，因此，我们我们能够容忍存在某种程度上较大的Qgd和较大的裸片面积。

　　如下图3所示，是在不同输入电压的情况下最优化裸片面积和开关频率之间的关系。显然，在动态损耗和传导损耗之间我们需要采取不同的混合，并且在高开关频率下动态或开关损耗其支配作用，因此，迫使把裸片面积做得非常小。

　　这些依赖性在某种程度上不同于我们考虑同步整流器的时候，因为跨越它的电压是单只二极管的压降，无论是体二极管或是肖特基二极管，在此，动态损耗比顶部MOSFET要小得多。

　　这意味着传导损耗在这种情况下占支配地位，在此，即使以较大的Qgd为代价，也需要较大的裸片面积和相关的小RDSON值。如图4所示，最优化裸片面积是顶部MOSFET在不同输入电压条件下负载电流的函数。尽管开关损耗在整个损耗图中发挥的作用较小，在此，仍然要以牺牲RDSON指标为代价，进一步减小裸片面积来实现更低的Qgd。

　　如图5所示，功耗是裸片面积的函数，周围是针对输入电压为5到12V的顶部MOSFET的最合适值。这清楚地表面，损耗高度依赖于裸片面积以及如果裸片面积增加或减少时这些损耗所增加或减小的剧烈程度。

显然，我的观点是：这些方程从为任务指定最优化MOSFET的任务中获得推断，并让我们把工作重心放在开发满足未来几年需求的新的制造工艺的任务之上。

图2：最优化裸片面积是顶部MOSFET在不同输入电压条件下负载电流的函数。

图3：最优化裸片面积是顶部MOSFET在不同输入电压条件下开关频率的函数。

本文小结

　　Maple计算软件的应用为研究和掌握功率电路中MOSFET功耗优化的物理现象提供了非常令人兴奋和有效的工具。

　　我们在此已经介绍了专门针对给定应用而设计的MOSFET的概念。

　　为了让MOSFET设计工程师把精力集中在需求快速增长的个人电脑市场，有必要针对特定的器件给出范例。尽管对RDSON和Qgd两个前沿课题有待做进一步完善，但是，仍然需要针对特定应用来设计MOSFET器件。

　　在MOSFET参数和应用之间的闭环链路要根据需要来使用。我们在上面已经示出：这样的一个链路可以由损耗方程中导出，因为它们由MOSFET的参数来修正。

　　在顶部和同步整流器MOSFET之间，前者是对设计更为重要的器件。这是因为要对RDSON和Qgd两者进行优化，以获得最优化的性能；而同步整流器则居于其次。

　　上述方程根据一组特定的固定参数清楚地确定了最优化的裸片面积。实际上，有必要被扩展到包含一定范围内的工作条件，如频率、负载电流、输入电压和门驱动条件。幸运的是，在个人电脑市场，输入电压和每相的电流被保持在相当窄的范围内。这就使开关频率和门驱动器成为唯一的两个真实变量。

图4：在同步整流器MOSFET不同开关频率上的最优化裸片面积是负载电流的函数。

图5：功耗是顶部MOSFET裸片面积的函数。

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和电信部总监, 他拥有电气工程学士学位，并在电源设计和研发管理领域有着38年的工程经验，您可以通过Alan.Elbanhawy@fairchildsemi.com与他联系。

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