電源設(shè)計(jì)小貼士：同步降壓 MOSFET 電阻比的正確選擇

作者：Robert Kollman

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在這篇《電源設(shè)計(jì)小貼士》中，我們將研究在同步降壓功率級(jí)中如何對(duì)傳導(dǎo)功耗進(jìn)行折中處理，而其與占空比和 FET 電阻比有關(guān)。進(jìn)行這種折中處理可得到一個(gè)用于 FET 選擇的非常有用的起始點(diǎn)。通常，作為設(shè)計(jì)過(guò)程的一個(gè)組成部分，您會(huì)有一套包括了輸入電壓范圍和期望輸出電壓的規(guī)范，并且需要選擇一些 FET。另外，如果您是一名 IC 設(shè)計(jì)人員，則您還會(huì)有一定的預(yù)算，其規(guī)定了 FET 成本或者封裝尺寸。這兩種輸入會(huì)幫助您選擇總 MOSFET 芯片面積。之后，這些輸入可用于對(duì)各個(gè) FET 面積進(jìn)行效率方面的優(yōu)化。

圖 1 傳導(dǎo)損耗與 FET 電阻比和占空比相關(guān)

首先，F(xiàn)ET 電阻與其面積成反比例關(guān)系。因此，如果為 FET 分配一定的總面積，同時(shí)您讓高側(cè)面積更大（旨在降低其電阻），則低側(cè)的面積必減小，而其電阻增加。其次，高側(cè)和低側(cè) FET 導(dǎo)電時(shí)間的百分比與 V_OUT/V_IN 的轉(zhuǎn)換比相關(guān)，其首先等于高側(cè)占空比 (D)。高側(cè) FET 導(dǎo)通 D 百分比時(shí)間，而剩余 (1-D) 百分比時(shí)間由低側(cè) FET 導(dǎo)通。圖 1 顯示了標(biāo)準(zhǔn)化的傳導(dǎo)損耗，其與專用于高側(cè) FET 的 FET 面積百分比（X 軸）以及轉(zhuǎn)換因數(shù)（曲線）相關(guān)。很明顯，某個(gè)設(shè)定轉(zhuǎn)換比率條件下，可在高側(cè)和低側(cè)之間實(shí)現(xiàn)最佳芯片面積分配，這時(shí)總傳導(dǎo)損耗最小。低轉(zhuǎn)換比率條件下，請(qǐng)使用較小的高側(cè) FET。反之，高轉(zhuǎn)換比率時(shí)，請(qǐng)?jiān)陧敳渴褂酶嗟?FET。面積分配至關(guān)重要，因?yàn)槿绻敵鲈黾又?3.6V，則針對(duì) 12V：1.2V 轉(zhuǎn)換比率（10% 占空比）進(jìn)行優(yōu)化的電路，其傳導(dǎo)損耗會(huì)增加 30%，而如果輸出進(jìn)一步增加至 6V，則傳導(dǎo)損耗會(huì)增加近 80%。最后，需要指出的是，50% 高側(cè)面積分配時(shí)所有曲線都經(jīng)過(guò)同一個(gè)點(diǎn)。這是因?yàn)閮蓚€(gè) FET 電阻在這一點(diǎn)相等。

圖 2 存在一個(gè)基于轉(zhuǎn)換比率的最佳面積比

注意：電阻比與面積比成反比

通過(guò)圖 1，我們知道 50% 轉(zhuǎn)換比率時(shí)出現(xiàn)最佳傳導(dǎo)損耗極值。但是，在其他轉(zhuǎn)換比率條件下，可以將損耗降至這一水平以下。附錄 1 給出了進(jìn)行這種優(yōu)化的數(shù)學(xué)計(jì)算方法，而圖 2 顯示了其計(jì)算結(jié)果。即使在極低的轉(zhuǎn)換比率條件下，F(xiàn)ET 芯片面積的很大一部分都應(yīng)該用于高側(cè) FET。高轉(zhuǎn)換比率時(shí)同樣如此；應(yīng)該有很大一部分面積用于低側(cè)。這些結(jié)果是對(duì)這一問(wèn)題的初步研究，其并未包括如高側(cè)和低側(cè)FET之間的各種具體電阻值，開(kāi)關(guān)速度的影響，或者對(duì)這種芯片面積進(jìn)行封裝相關(guān)的成本和電阻等諸多方面。但是，它為確定 FET 之間的電阻比提供了一個(gè)良好的開(kāi)端，并且應(yīng)會(huì)在FET選擇方面實(shí)現(xiàn)更好的整體折中。

下次，我們將討論如何確定 SEPIC 所用耦合電感的漏電感要求，敬請(qǐng)期待。本文及其他電源解決方案的更多詳情，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：www.ti.com.cn/power。