电源系统开关控制器的 MOSFET 选择
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DC/DC开关控制器的MOSFET选择是一个复杂的过程。仅仅考虑MOSFET的额定电压和电流并不足以选择到合适的MOSFET。要想让MOSFET维持在规定范围以内,必须在低栅极电荷和低导通电阻之间取得平衡。在多负载电源系统中,这种情况会变得更加复杂。
DC/DC开关电源因其高效率而广泛应用于现代许多电子系统中。例如,同时拥有一个高侧FET和低侧FET的降压同步开关稳压器,如图1所示。这两个FET会根据控制器设置的占空比进行开关操作,旨在达到理想的输出电压。降压稳压器的占空比方程式如下:
占空比(高侧FET)=VOUT/(VIN*效率) (1)
占空比(低侧FET)=1-DC(高侧FET) (2)
图1 降压同步开关稳压器原理图
FET可能会集成到与控制器一样的同一块芯片中,从而实现一种最为简单的解决方案。但是,为了提供高电流能力及(或)达到更高效率,FET需要始终为控制器的外部元件,这样便可以实现最大散热能力。因为它让FET物理隔离于控制器,并且拥有最大的FET选择灵活性。缺点是FET选择过程更加复杂,原因是要考虑的因素有很多。
一个常见问题是“为什么不让这种10A FET也用于我的10A设计呢?”答案是这种10A额定电流并非适用于所有设计。选择 FET 时需要考虑的因素包括额定电压、环境温度、开关频率、控制器驱动能力和散热组件面积。关键问题是,如果功耗过高且散热不足,则FET可能会过热起火。用户可以利用封装/散热组件ThetaJA或者热敏电阻、FET功耗和环境温度估算某个FET的结温,具体方法如下:
Tj=ThetaJA×FET功耗(PdissFET)+环境温度(Tambient) (3)
它要求计算FET的功耗。这种功耗可以分成两个主要部分:AC和DC损耗。这些损耗可以通过下列方程式计算得到:
AC损耗:AC功耗(PswAC)=1/2×Vds×Ids×(trise+tfall)/Tsw (4)
其中,Vds为高侧FET的输入电压,Ids为负载电流,trise和tfall为FET的升时间和降时间,而Tsw为控制器的开关时间(1/开关频率)。
DC损耗:PswDC=RDSON ×IOUT×IOUT×占空比 (5)
其中,RDSON为FET的导通电阻,而IOUT为降压拓扑的负载电流。
其他损耗形成的原因还包括输出寄生电容、门损耗,以及低侧FET空载时间期间导电带来的体二极管损耗,但在本文中将主要讨论AC和DC损耗。
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