同步升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中MOSFET的選擇要素分析

1、同步升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的選擇要素分析2012-02-22中心議題：同步升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的損耗分析同步升壓轉(zhuǎn)換器的選擇策略解決方案：最優(yōu)化門極驅(qū)動(dòng)電壓最優(yōu)化電源輸入電壓最優(yōu)化工作條件在個(gè)人計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，隨著為核心轉(zhuǎn)換器開(kāi)發(fā)的同步升壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率向著12范圍轉(zhuǎn)移，的損耗進(jìn)一步增加。鑒于大多數(shù)需要更大的電流和更低的電壓，這種問(wèn)題被復(fù)雜化了。如果你考慮其它支配損耗機(jī)制的參數(shù)，如電源輸入電壓和門極電壓，我們就要處理更為復(fù)雜的現(xiàn)象。但是，這并不是問(wèn)題的全部，我們還會(huì)遇到可能造成損耗極大惡化并降低電源轉(zhuǎn)換 效率（E ）的二次效應(yīng)。這些二次效應(yīng)包括擊穿損耗和因像電容和電感等效串聯(lián)電阻（）、電路板電阻及電感

2、、封裝寄生電感所這樣的寄生電阻引起的損耗。其它二次損耗機(jī)制是的電極電容之間的充電和放電， 包括門極-源極間電容（）、米勒門極漏極電容（）和漏極-源極間電容（）。隨著頻率越來(lái)越高， 因體二極管反向恢復(fù)造成的損耗會(huì)更為顯著，必須加以考慮。現(xiàn)在，很顯然選擇同步升壓轉(zhuǎn)換器的不再是一項(xiàng)微不足道的練習(xí)，它需要可靠的方法來(lái)選擇最佳的組合，并結(jié)合對(duì)上述所有問(wèn)題的深入理解。本文將詳細(xì)地討論所有這些效應(yīng)并將向您演示如何作出這種選擇。傳導(dǎo)損耗由于電流流過(guò)的會(huì)產(chǎn)生器件的電阻損耗，圖1所示的的損耗 M1和M2可以由下列兩個(gè)方程來(lái)計(jì)算：PCH呂:=APCLS : = Iload7 Rdson ( 1 - A)其中：=高側(cè)

3、（）傳導(dǎo)損耗；低側(cè)（）傳導(dǎo)損耗；=占空周期 ;=負(fù)載電流；=開(kāi) 電阻；=電源輸入電壓；=輸出電壓。因?yàn)?由應(yīng)用來(lái)決定，必須選擇為盡可能地小。動(dòng)態(tài)損耗 動(dòng)態(tài)損耗是由和開(kāi)關(guān)造成的損耗，這些損耗可以通過(guò)下列兩個(gè)方程來(lái)計(jì)算:（£尸 +lhadfs=2PDLS =(£r + (/)忌 llaadfs2其中:動(dòng)態(tài)損耗;動(dòng)態(tài)損耗；=上升時(shí)間；=下降時(shí)間；=轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率;其它參數(shù)與上述參數(shù)一致。 于米勒電容，它通常由門極=體二極管開(kāi)電壓;顯然，我們需要把的上升和下降時(shí)間最小化。這兩個(gè)參數(shù)取決于-漏極間電荷（）來(lái)表示，其中，越低，就會(huì)導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)速度越快。中的開(kāi)關(guān)損耗與傳導(dǎo)損耗相比寧可忽略不

4、計(jì)，因?yàn)闉?2V而大約為1V。在這種情形下，對(duì) 我們必須選擇具有盡可能最低的。通過(guò)隔離做不到這一點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兠恳粋€(gè)都取決于裸片的面積。大多制造商設(shè)計(jì)器件時(shí)滿足了或的要求，但是，實(shí)際上打擊了開(kāi)關(guān)速度和開(kāi)電阻之間的折衷要求，即和低的。圖2：功率損耗，Z軸是X軸電流和Y軸開(kāi)關(guān)頻率的函數(shù)。圖2所示為的功率損耗。顯然，大電流和高頻率的組合會(huì)快速導(dǎo)致高損耗。對(duì)的正確選擇 是從根本上關(guān)注整體的高電源轉(zhuǎn)換效率（Z ）和高可靠性。反向恢復(fù)損耗另外一種損耗機(jī)制是因?yàn)轶w二極管恢復(fù)造成的損耗。這是由于使“打開(kāi)”狀態(tài)進(jìn)入體二極管所致。體二極管要無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間才能關(guān)閉，在這段時(shí)間就會(huì)出現(xiàn)損耗。反向恢復(fù)損耗可以由下列方程計(jì)算：

5、Prr := Qrr 尬 js其中：反向恢復(fù)電荷。此外，這種損耗機(jī)制依賴于開(kāi)關(guān)頻率，因?yàn)樗悄撤N形式的開(kāi)關(guān)損耗。盡管反向恢復(fù)因 二極管所致，損耗卻發(fā)生在中。圖3:因反向恢復(fù)造成的功率損耗。擊穿損耗當(dāng)由門極驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉而 正被打開(kāi)時(shí)，就會(huì)遇到擊穿損耗。在轉(zhuǎn)換期間，門極-漏極間電容通過(guò)由和組成的潛在的分壓器把漏極電壓耦合到門極。如果這個(gè)耦合電壓大于門限電壓， 那么，將為打開(kāi)，從而產(chǎn)生一條流過(guò)和 的低阻的電流通路， 最終造成過(guò)度損耗。支配相對(duì)于 地的門極電壓的方程如下所示:xvg（/）=u=門極其中：（t）=門極電壓；a =漏極電壓的擺率；=包括門極驅(qū)動(dòng)器的總門極電阻;與源極之間的電容；=門極與漏極之

6、間的電容；顯然，越大，則耦合電壓越大。圖4:擊穿。取上述方程的極限為： = 00即無(wú)限大的擺率給出方程：Vin .< Vgt>h1+曼上述方程表達(dá)了無(wú)交叉?zhèn)鲗?dǎo)情況下的理論最壞情形。如果在最壞情形的參數(shù)范圍內(nèi)一即最 小、最大和最小一滿足這種條件，那么，在任何應(yīng)用中都觀測(cè)不到交叉?zhèn)鲗?dǎo)。圖5是一張示波器的圖形，其中，上部的蹤跡是漏極電壓，下部的蹤跡是 的門極電壓。如果觀測(cè)到的 的門極電壓（綠色蹤跡）達(dá)到一個(gè)大于的電壓，那么，我們就可以觀測(cè)到擊穿和Z的損耗。理想情況下，你需要峰值為幾百毫伏。下面的蹤跡是擊穿的典型指紋，讓我們能夠通過(guò)測(cè)量門極到源極之間的電壓來(lái)識(shí)別問(wèn)題。圖5:識(shí)別擊穿。門極電

7、感的影響門極驅(qū)動(dòng)電路的電路版圖設(shè)計(jì)對(duì)于設(shè)置合適的開(kāi)關(guān)頻率是極為重要的。圖6是Z軸上的門極電壓的、Y軸上的門極電感和 X軸上的時(shí)間的三維表示。該圖顯示了門極引腳電容對(duì)波 形的動(dòng)態(tài)影響。門極電壓振鈴可能造成不穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)，從而導(dǎo)致效率Z的損失并加大電磁輻射。門極引腳必須保持盡可能地短以避免該影響。圖6:門極驅(qū)動(dòng)振鈴。最優(yōu)化門極驅(qū)動(dòng)電壓 門極驅(qū)動(dòng)電壓幅度以下列方式控制的開(kāi)關(guān)性能：門極驅(qū)動(dòng)電壓越高，意味著電容充電和放電損耗就越高，由下式給出：2驅(qū)動(dòng)電壓越高，以為著越低，因此，電源損耗就越低，從而提高Z ；門極電壓幅度也會(huì)影響的上升和下降時(shí)間。滿足所有上述條件并產(chǎn)生最高Z的最優(yōu)化門極驅(qū)動(dòng)幅度，可以在實(shí)驗(yàn)中

8、利用不同的電壓幅度確定的最佳性能點(diǎn)來(lái)確定。根據(jù)對(duì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)求解，圖7給出了一個(gè)在Z軸上的最優(yōu)化門極驅(qū)動(dòng)電壓的三維圖形，它是 X上漏電流和Y軸上開(kāi)關(guān)頻率的函數(shù)。顯然，門極驅(qū)動(dòng)電壓 永遠(yuǎn)不能超過(guò)數(shù)據(jù)表針對(duì)高可靠性工作所推薦的電平。圖7:最優(yōu)化門極驅(qū)動(dòng)電壓。最優(yōu)化電源輸入電壓用于電腦市場(chǎng)的轉(zhuǎn)換器的電源輸入電壓的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是12V，但是，這是最優(yōu)化的數(shù)值嗎？為了幫助回答這個(gè)問(wèn)題，讓我們考察輸入電壓對(duì)Z的影響：較高的電源輸入電壓顯然被轉(zhuǎn)換為來(lái)自電源的較低電流及轉(zhuǎn)換器的高Z值（銀盒）。電源輸入電壓越高，意味著在中的動(dòng)態(tài)損耗也越高。電源輸入電壓越高，意味著在中因占空周期的增加所造成的傳導(dǎo)損耗就越高。最優(yōu)化輸入

9、電壓可能由實(shí)驗(yàn)或數(shù)學(xué)導(dǎo)出。圖8所示為最優(yōu)化輸入電壓在 Z軸上的三維表示,它是Y軸上的負(fù)載電流和 X軸上的開(kāi)關(guān)頻率的函數(shù)。電源輸入電壓電平由針對(duì)電腦市場(chǎng)的 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定。如果你正在設(shè)計(jì)一個(gè)兩級(jí)隔離轉(zhuǎn)換器，在為你的特定的應(yīng)用確定最優(yōu)化中間電壓的過(guò)程中，就值得做這種考慮。圖&最優(yōu)化的電源輸入電壓。器件封裝當(dāng)選擇針對(duì)你的應(yīng)用的器件時(shí)，你要控制的其他參數(shù)就是封裝。功率可用的最流行封裝分別是8、D2及其它形式的封裝。封裝參數(shù)中最重要的是：封裝熱阻：這明顯限制了功耗并控制了封裝中的散熱設(shè)計(jì)方案；要盡可能選擇最小的熱阻；封裝寄生電感： 由提取的封裝寄生電感對(duì)開(kāi)關(guān)速度有極大的影響， 并最終影響動(dòng)態(tài)損耗。 寄 生電感越小，開(kāi)關(guān)時(shí)間就越短；封裝寄生電阻：該參數(shù)通常隱藏在數(shù)值之中； 對(duì)給定應(yīng)用的最佳封裝應(yīng)該具有最低的寄生參數(shù)和熱阻，與此同時(shí)，