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开关电源的MOSFET选择说明

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开关电源的MOSFET选择说明

发布日期:2020-03-15          作者:深圳开关电源厂家          点击:

  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。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:


1) 占空比 (高侧FET,上管) = Vout/(Vin*效率)


2) 占空比 (低侧FET,下管) = 1 – DC (高侧FET)


  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。它的缺点是 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。我们可以利用封装/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:


3) Tj = ThetaJA * FET 功耗(PdissFET) + 环境温度(Tambient)

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:


4) AC损耗: AC 功耗(PswAC) = ½ * Vds * Ids * (trise + tfall)/Tsw

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)。


5) DC 损耗: PswDC = RdsOn * Iout * Iout * 占空比

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,但在本文中我们将主要讨论 AC 和 DC 损耗。


  开关电压和电流均为非零时,AC 开关损耗出现在开关导通和关断之间的过渡期间。根据方程式,降低这种损耗的一种方法是缩短开关的升时间和降时间。通过选择一个更低栅极电荷的 FET,可以达到这个目标。另一个因数是开关频率。开关频率越高,升降过渡区域所花费的开关时间百分比就越大。因此,更高频率就意味着更大的AC开关损耗。所以,降低 AC 损耗的另一种方法便是降低开关频率,但这要求更大且通常也更昂贵的电感来确保峰值开关电流不超出规范。


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