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同步降壓MOSFET 電阻比的正確選擇

發(fā)布時間:2011-10-07

中心議題:

  • 同步降壓MOSFET 電阻比的正確選擇

解決方案:

  • FET 電阻與其面積成反比例關(guān)系


在本文中,我們將研究在同步降壓功率級中如何對傳導功耗進行折中處理,而其與占空比和 FET 電阻比有關(guān)。進行這種折中處理可得到一個用于 FET 選擇的非常有用的起始點。通常,作為設計過程的一個組成部分,您會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 設計人員,則您還會有一定的預算,其規(guī)定了 FET 成本或者封裝尺寸。這兩種輸入會幫助您選擇總 MOSFET 芯片面積。之后,這些輸入可用于對各個 FET 面積進行效率方面的優(yōu)化。


圖 1 傳導損耗與 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,同時您讓高側(cè)面積更大(旨在降低其電阻),則低側(cè)的面積必須減小,而其電阻增加。其次,高側(cè)和低側(cè) FET 導電時間的百分比與 VOUT/VIN 的轉(zhuǎn)換比相關(guān),其首先等于高側(cè)占空比 (D)。高側(cè) FET 導通 D 百分比時間,而剩余 (1-D) 百分比時間由低側(cè) FET 導通。圖 1 顯示了標準化的傳導損耗,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,某個設定轉(zhuǎn)換比率條件下,可在高側(cè)和低側(cè)之間實現(xiàn)最佳芯片面積分配,這時總傳導損耗最小。低轉(zhuǎn)換比率條件下,請使用較小的高側(cè) FET。反之,高轉(zhuǎn)換比率時,請在頂部使用更多的 FET。面積分配至關(guān)重要,因為如果輸出增加至 3.6V,則針對 12V:1.2V 轉(zhuǎn)換比率(10% 占空比)進行優(yōu)化的電路,其傳導損耗會增加 30%,而如果輸出進一步增加至 6V,則傳導損耗會增加近 80%。最后,需要指出的是,50% 高側(cè)面積分配時所有曲線都經(jīng)過同一個點。這是因為兩個 FET 電阻在這一點相等。


圖 2 存在一個基于轉(zhuǎn)換比率的最佳面積比(注意:電阻比與面積比成反比)[page]

通過圖1,我們知道 50% 轉(zhuǎn)換比率時出現(xiàn)最佳傳導損耗極值。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 給出了進行這種優(yōu)化的數(shù)學計算方法,而圖 2 顯示了其計算結(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該用于高側(cè) FET。高轉(zhuǎn)換比率時同樣如此;應該有很大一部分面積用于低側(cè)。這些結(jié)果是對這一問題的初步研究,其并未包括如高側(cè)和低側(cè)FET之間的各種具體電阻值,開關(guān)速度的影響,或者對這種芯片面積進行封裝相關(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良好的開端,并且應會在FET選擇方面實現(xiàn)更好的整體折中。

附錄:圖2 的推導過程

將高側(cè)面積比總 FET 面積定義為。(注意:其為電阻比的倒數(shù)。)讓上面的方程式等于零,然后代入。

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