如何为开关模式电源选择合适的MOSFET
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1、前言
也许当前市场上高性能功率 MOSFET 最常见的用途也是选择最合适的 FET 的最大挑战。性能、价格和尺寸之间的权衡从来没有比在开关模式电源 (SMPS) 中使用 MOSFET 的情况更混乱。
遍历 SMPS 拓扑的详尽列表，包括隔离的和非隔离的，并列出每种拓扑的最重要的考虑因素，可能需要一本小说——以及比我这样的简单营销工程师拥有更多技术知识的应用专家。但我确实希望在本博客的后续段落中，我至少可以提供一些避免的提示和陷阱。
当今市场上的大多数 SMPS 应用都在相对较高的频率下运行，从 100kHz 一直到兆赫兹范围。这意味着与电机控制等低频应用不同，FET 的选择不仅仅与电阻和传导损耗有关。频率越高，开关损耗越大，这意味着性能最佳或效率最高的 FET 是最优化低栅极（和其他）电荷与低导通电阻 R DS(上）。
说到电荷，也不一定都与栅极电荷有关。栅极电荷 Q G决定了 FET 快速开启和关闭的能力，这是硬开关应用的重要考虑因素，其中关闭速度越快，电压/电流重叠的持续时间越短。这就是为什么经典 MOSFET 硅品质因数 (FOM) 为 R DS(ON) * Q G 的原因，最低值表示最佳性能。但其他开关参数可能同样重要，甚至更重要，具体取决于应用。在高侧开关期间，由输出电容 C OSS决定的存储能量损耗 E OSS会对整体系统效率产生很大影响（见图 1）。
图 1：降压转换器应用中控制 FET 的功率损耗分解
为了实现当代电源能源标准要求的更高效率，MOSFET 正在取代过去由二极管维护的插座，以用作同步整流器开关（见图 2）。对于同步整流器 FET，由 MOSFET 体二极管 Q RR的反向恢复电荷决定的反向恢复损耗通常是除传导损耗之外的功率损耗的最大贡献者。对于此类应用，更相关的 FOM 是 R DS(ON) * (1/2 Q OSS + Q RR )。图 3 显示了典型同步整流应用中使用的 80V MOSFET 的功率损耗击穿。
图 2：在许多应用中，低电阻 MOSFET 代替整流二极管以提高效率
图 3：同步整流器的功率损耗击穿
在各自 FOM 相对相等的给定 FET 技术中，电阻越低，栅极电荷越高。因此，最有效的解决方案是优化传导和开关损耗各自的贡献。
考虑最近的一个示例，其中 TI 客户想要推荐同步整流器 FET（针对给定的一组输入条件和特定输出电流）。图 4 显示了可用的五种不同电阻 FET 选项的相应传导和开关损耗。请注意，在这些条件下，第四个和第五个选项产生的总功率损耗非常相似，两者之间的曲线或多或少是平坦的。但是，第五个选项的阻力是第四个选项的 2 倍。在 FET 技术中，电阻与裸片尺寸成反比，因此我们可以（正确地）假设第五个选项是更具成本效益的解决方案。
图 4：五种不同 MOSFET 选项的功率损耗 - 请注意，第四种和第五种选项的总损耗非常相似，尽管传导和开关损耗不同
最后几点需要考虑：
· SMPS 应用需要并联多个 FET 的解决方案并不少见，特别是对于同步整流器。请记住，FET 选项之间的电阻差异将与我们并联的 FET 数量成正比。但与此同时，电荷差异将乘以相同的系数，因此在一定数量的 FET 中，开关损耗将降低整体系统效率。
· 方案选择也很重要。虽然像晶体管轮廓 TO-220 和 D2PAK 这样的旧封装可以在内部安装大量硅芯片并耗散大量功率（尤其是安装在大型散热器上的通孔器件），但它们的封装电阻也明显高于四方扁平无引线封装（ QFN) 设备。此外，在高频下，诸如 MOSFET 的源极片电感等寄生元件开始发挥更大的作用，并对开关节点振铃和整体系统效率产生破坏性影响。因此，QFN 封装（如 TI 的 SON5x6 或 SON3x3）可以实现比 TO 同类产品更高的功率密度，并且几乎总是更适合驱动数百到千赫兹范围内的更高频率。
· 我们可以直接从 MOSFET 的数据表中辨别一些关键的 SMPS 参数，例如 R DS(on)和 Q G。数据表上的其他参数，如 Q RR和 Q OSS，则更加不可靠。因此，最好进行板载、逐个测量，以便在不同 FET 供应商之间进行公平比较。
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